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Vertido cero. Concepto y tecnología.

La inmensa mayoría de actividades industriales generan efluentes líquidos, en mayor o menor cantidad, que deben ser gestionados correctamente por la carga contaminante que contienen. Estos efluentes se generan cuando se utiliza el agua para refrigerar o calentar, en las limpiezas de los equipos, dentro del propio proceso, etc.

La normativa medioambiental es cada vez más restrictiva y generalmente no permite que los efluentes líquidos puedan ser vertidos sin un tratamiento previo. La solución convencional pasa por instalar una serie de procesos físico-químicos y/o biológicos que tratan el agua lo necesario para conseguir cumplir la normativa de vertido. No obstante, existe un gran número de situaciones donde el efluente tratado, o no puede ser vertido por razones geográficas, o requiere un esfuerzo económico elevado conseguir que el efluente sea evacuado. En otras situaciones, cuando se producen efluentes líquidos de naturaleza compleja, los sistemas de tratamiento convencionales necesarios no son competitivos a nivel económico. Ante estos escenarios, el concepto de vertido cero se está forjando como la opción más sostenible a nivel ambiental y, en muchas ocasiones, también a nivel económico.

El concepto de vertido cero se basa en el uso de técnicas y procesos que hacen posible la reutilización de la totalidad de las aguas residuales con un doble objetivo: (1) reducir al máximo el consumo de agua de red, y (2) minimizar la cantidad de residuos que deben ser gestionados externamente. Las ventajas de la aplicación de esta filosofía, en relación a la solución convencional, son numerosas, destacando especialmente las siguientes:

  • Ahorro en el consumo de agua de red.
  • Reducción radical de la cantidad de residuos a gestionar externamente.
  • Mejora de la imagen corporativa por la sensibilidad ambiental que demuestra la implantación de este sistema.
  • Facilidad para la posterior implantación de un sistema de gestión medioambiental.
  • Ahorro económico en la gestión de residuos externa.
  • Ahorro económico en la fiscalidad del vertido.
  • Ahorro económico en posibles sanciones administrativas por no adecuación del vertido a la normativa.
  • Flexibilidad del sistema en cuanto a cambios en la composición.
  • Necesidad de poco espacio, pues son sistemas compactos.
  • Simplicidad de explotación.
  • Alto grado de automatización.
  • No necesidad de personal técnico especializado.
  • Bajo coste de personal.
  • Ahorro en el consumo de reactivos químicos.
  • Elevado nivel de autosuficiencia en el consumo de agua.
  • Posibilidad de aprovechar calores residuales de otros procesos, disminuyendo extraordinariamente los costes de explotación.

La implantación de un sistema de gestión basado en el concepto de vertido cero supone el tratamiento de todos los efluentes líquidos cuanto sea necesario hasta que su calidad permita su introducción de nuevo en el proceso, de modo que el rechazo final sea mínimo. Las tecnologías utilizadas para concentrar y minimizar el efluente final se pueden clasificar en tecnologías de membranas y tecnologías de separación térmica. Las primeras, que suelen ser unidades de microfiltración y ultrafiltración como pretratamiento previo y procesos como la nanofiltración y la ósmosis inversa las que consiguen recuperar en torno al 80% del agua, permiten concentrar la contaminación en una corriente líquida de rechazo a la vez que producen un agua de elevada calidad. Las tecnologías de separación térmica, habitualmente evaporadores de vacío y cristalizadores, se centran en concentrar el rechazo de las técnicas de membrana produciendo agua destilada, reutilizable en el proceso, y un residuo sólido seco, haciendo posible el objetivo de no producir finalmente ningún tipo de vertido. Concretamente, la evaporación al vacío es una tecnología que aúna la capacidad de reducir al máximo el vertido, con criterios de eficacia, robustez y sostenibilidad. Es por este motivo que es un equipo prácticamente imprescindible en la implantación de un sistema de gestión de vertido cero. Cuando interesa que el único residuo sea un sólido seco, la evaporación al vacío se utiliza seguido de un cristalizador, el cual cristaliza el residuo del evaporador.

El campo de aplicación de este sistema de gestión es tan amplio como el número de actividades diferentes que generan efluentes líquidos, con alguna pequeña limitación. En la tabla se resumen las actividades en las que el sistema de gestión de vertido cero es especialmente útil y ventajoso.

aguas residuales industriales

Pese a la versatilidad en cuanto a la naturaleza de la contaminación de este sistema de gestión, no lo es tanto en relación a la cantidad de caudal a tratar. Para vertidos elevados (caudales superiores a 50 m3/h) no es una tecnología competitiva. También se debe tener en cuenta que, cuando el efluente es rico en componentes volátiles, el destilado debe ser post-tratado para que pueda ser reutilizado. Y este proceso incrementa sensiblemente la inversión inicial.

tecnologías para vertido cero

MF: microfiltración; UF: ultrafiltración; EDR: electrodiálisis reversible.

En el gráfico se observa el ciclo virtuoso que representa el concepto de vertido cero. No en todos los casos son necesarios todos los procesos representados. Los procesos de membrana (MF, UF, EDR y OI) generan una elevada cantidad de agua apta para ser reutilizada. Y los procesos térmicos (evaporación y cristalización) tratan los rechazos producidos en los procesos anteriores, produciendo más agua apta para ser reutilizada y un residuo final sólido y seco.

Así pues, el sistema de gestión de vertido cero es un sistema robusto, útil y eficaz en todos los casos, y especialmente ventajoso para el tratamiento de efluentes líquidos complejos, separando el agua en lugar de separar los contaminantes. Al estar basado en procesos físicos, y no químicos, el ámbito de aplicación es muy amplio. Los contaminantes son concentrados y finalmente reducidos a un residuo seco, hecho que hace posible que su gestión sea fácil y económica, mientras que el agua es reutilizada en el proceso.

Métodos de separación para el tratamiento de aguas residuales

Existen numerosas técnicas de separación que se pueden utilizar para retener partículas en suspensión, e incluso sustancias disueltas, de un fluido. Las técnicas se pueden agrupar en función de la magnitud en la que se basan para llevar a cabo la separación.

La decantación y la centrifugación son procesos de separación que aprovechan la diferencia de masa de las partículas y de densidad en relación al solvente para conseguir la separación. Como más pesen las partículas, con mayor facilidad se separarán. Las tecnologías de filtración (microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración) aprovechan la diferencia de tamaño de las partículas que se desean separar en relación al tamaño de poro de la membrana. No es el caso de la ósmosis inversa. Ésta, es una técnica basada en la diferente difusión o permeabilidad que tienen las sustancias en atravesar una membrana. Mientras que el solvente permea la membrana con relativa facilidad, las partículas en suspensión y disueltas en el solvente no pueden, o les cuesta mucho, poder atravesar la membrana. Es también el caso de la diálisis y de la electrodiálisis, aunque en ésta última, la aplicación de un potencial eléctrico actúa como fuerza impulsora que permite la separación.

En el caso del intercambio iónico es la carga iónica la que permite establecer diferencias entre unos iones y otros. Una resina concreta, si es catiónica por ejemplo, intercambiará a los iones con carga positiva (cationes) sin interaccionar nada con los iones con carga negativa (aniones). Muy diferente de la destilación, que se basa en la diferente presión de vapor de las sustancias puras que componen la mezcla para establecer la separación. Como mayor diferencia haya entre las presiones de vapor de los diferentes componentes de la mezcla, con mayor facilidad la destilación separará las sustancias.

La diferente solubilidad de un soluto en un fluido o en otro es la que permite que mediante absorción o mediante extracción se pueda llevar a cabo una separación efectiva.

Así pues, para llevar a cabo una separación de varias sustancias, se utilizará una técnica u otra en función de la magnitud que pueda establecer diferencias entre las partículas, o entre éstas y el solvente.

Puede hacer click en la tabla para verla a tamaño completo.

separación de aguas residuales

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Filtración mediante membranas para el tratamiento aguas residuales

Secciones

Ventajas e inconvenientes

Entre los procesos que más han evolucionado en las últimas décadas se encuentran los de filtración a través de membrana. De forma general, éstos consisten en forzar el paso del líquido a filtrar a través de una membrana colocada sobre un soporte sólido.

Funcionan debido a que determinadas clases de membranas permiten el paso a través de ellas de partículas con unas características particulares, mientras que impiden el paso de aquellas que no poseen esas mismas características.

El hecho de necesitar cada vez mayores flujos de permeado, producidos a menores presiones de operación, ha llevado a un constante avance en el diseño y fabricación de las membranas.

Las operaciones de separación mediante membrana son ampliamente utilizadas y su uso es superior a los métodos convencionales por la capacidad de producir separaciones de forma muy eficiente a temperatura ambiente y por la relación coste/eficiencia. A continuación, se describen las principales ventajas e inconveniente de las mismas en relación a otras tecnologías:

Ventajas

  • Ofrecen una elevada eficiencia de separación donde el factor clave es el cut offde la membrana.
  • Son procesos que se pueden llevar a cabo a temperatura ambiente y de forma continua.
  • El consumo de energía no es elevado y no se requiere el uso de reactivos químicos (excepto antiincrustantes para limpiar las membranas).
  • La facilidad de combinación de esta técnica con otros procesos.
  • Plantas muy compactas que requieren poco espacio físico.

Inconvenientes

  • No es una técnica que elimine el contaminante, sino que lo concentra.
  • Se genera una corriente de rechazo/residuo que debe ser tratada correctamente.
  • También se debe tener en cuenta el coste de las membranas y su durabilidad. Es importante pretratar el efluente para alargar la vida útil de las membranas.
  • En función de la aplicación concreta, se pueden presentar problemas de degradación, ensuciamiento o polarización de la membrana. Problemas que, si bien se pueden solventar, dificultan e incrementan los costes de operación.

Clasificación de Membranas

Actualmente existen muy diversas clases y tipos de membranas, que permiten el paso de unos solutos u otros en función de su naturaleza, carga iónica o tamaño.

En este artículo nos centraremos en la clasificación de los procesos de membrana según el factor de separación.

FACTOR DE SEPARACIÓNFUERZA IMPULSORATIPO – OPERACIÓN
TamañoPresiónFiltración

Microfiltración

Ultrafiltración

Nanofiltración

Tamaño / DifusividadPresión / ConcentraciónÓsmosis Inversa
Carga /DifusividadCampo eléctricoElectrodiálisis

Electrodiálisis Reversible

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Por tamaño de las partículas

En función del tamaño de las partículas que se deseen separar del líquido, variará el tipo de membrana a utilizar, siendo posible elegir entre las de filtración, microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa.

En todos estos procesos la fuerza impulsora es la presión. A continuación, se detallan las diferencias entre ellas:

Filtración con membranas

  • Filtración

    La filtración convencional utiliza como medio filtrante un medio poroso formado por material granular (grava, arena, antracita, etc.).

    El líquido a filtrar se hace pasar a través del lecho poroso, por gravedad o mediante presión, quedando los sólidos atrapados en los espacios intersticiales que quedan entre las partículas que conforman el lecho filtrante.

    La alternativa a la filtración mediante lechos porosos es la utilización de filtros formados por aglomerados de fibras sintéticas de policarbonato o de celulosa. En función del material utilizado y su disposición, el diámetro medio del poro del filtro varía, siendo éste el parámetro que determina el tamaño mínimo de las partículas que quedarán retenidas (cut off  o valor de corte del filtro).

    Estos filtros se repliegan en el interior de un cartucho y son capaces de retener partículas con un tamaño superior a 10 mm (partículas de arena, de polvo fino, etc.). Permiten trabajar a unas densidades de flujo de 4 a 8 m3/(m2·h), que, aunque las densidades de flujo de los filtros granulares sean similares, éstos últimos requieren mucho más espacio físico para ofrecer la misma superficie de filtración.

    No obstante, los filtros granulares pueden ser sometidos a lavados a contracorriente, los cuales son muy efectivos. Así, para filtrar un efluente con un alto contenido de sólidos, la opción más conveniente son los filtros granulares. Y cuando el contenido en sólidos es bajo o moderado, los cartuchos de filtración son más competitivos y requieren menos espacio.

  • Microfiltración

    Las membranas de microfiltración separan partículas que tienen un tamaño de entre 0,1 mm y 10 mm (baterías, polvo de carbón muy fino, amianto, etc.). Estas membranas pueden ser de nylon, polietileno, polipropileno, etc.

  • Ultrafiltración

    Las membranas de ultrafiltración retienen el paso de partículas con un tamaño de entre 1 nm y 100 nm (0,1 mm), que es el tamaño de los virus, los coloides, las macroproteínas, las endotoxinas, etc.

    El modo de operación es equivalente al de la microfiltración, el conjunto de membranas se coloca sobre un soporte y una bomba incrementa la presión del líquido para que éste pase a través de la membrana.

  • Nanofiltración

    Mientras que con la microfiltración y la ultrafiltración se separan partículas en suspensión del líquido, mediante la nanofiltración se pueden separar moléculas disueltas en el líquido (azúcares, proteínas, moléculas de colorante, etc.).

    Las membranas de nanofiltración tienen un valor de corte de entre 0,1 nm y 1 nm, tamaño típico de la mayoría de moléculas que no tienen un peso molecular elevado.

    Incluso quedan retenidos iones como el Ca2+ y el Mg2+, hecho que hace posible utilizar estas membranas para eliminar la dureza del agua, sin haber de dosificar reactivos químicos.

  • Ósmosis inversa

    La ósmosis inversa es un fenómeno basado en el equilibrio que se establece a ambos lados de una membrana semipermeable que separa dos volúmenes de líquido con diferente concentración salina. El solvente difunde a través de la membrana y la atraviesa, mientras que los iones disueltos no pueden hacerlo.

    De forma natural, el solvente pasaría de la solución más diluida en sales a la más concentrada, para igualar la presión osmótica (ósmosis). No obstante, si se aplica presión en el lado de la solución más concentrada, el flujo a través de la membrana se invierte y se produce un flujo neto de solvente que atraviesa la membrana desde la solución más concentrada a la menos concentrada. La presión que se debe aplicar depende de la concentración de sales en la solución concentrada.

    En la microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración todo el fluido pasa la membrana mientras que los sólidos quedan retenidos en la superficie de la membrana.

    En el caso de la ósmosis inversa, como a medida que la solución va incrementando su concentración en sales, la presión aplicada también debe ser mayor, el flujo es tangencial en relación a la membrana. De esta manera, parte del solvente atraviesa la membrana y la otra parte arrastra hacia el exterior todas las sales.

    Así, existe un caudal de alimentación y dos efluentes, el de permeado y el de rechazo, donde se concentran todas las sales disueltas, moléculas y partículas que contenía el alimento.

    En función del tipo de membrana utilizado, la presión de operación y las características del efluente a tratar, varía la proporción entre el caudal de permeado y el caudal de alimentación, variando entre un 50 y un 75%.

    Para alargar la vida de las membranas de ósmosis inversa y de nanofiltración es conveniente pretratar el efluente, normalmente mediante una ultrafiltración.

    Numerosos sectores industriales utilizan la ósmosis inversa para producir agua de elevada pureza, como es el caso de la industria farmacéutica, la industria alimentaria, las centrales nucleares, la industria electrónica, la industria biotecnológica, etc.

    En aplicaciones ambientales también se utiliza la ósmosis inversa para reducir y/o concentrar al máximo efluentes residuales, proceso seguido generalmente de una etapa de evaporación-concentración al vacío para acabar de concentrar plenamente el residuo. También se emplea la ósmosis inversa para acabar de afinar el agua condensada en procesos de evaporación en los que se concentran residuos.

    Como resultado estándar, la ósmosis inversa devuelve un 80% de agua depurada y un rechazo del 20%.

Por carga de las partículas

  • Electrodiálisis

    Consiste en la eliminación de iones cargados eléctricamente y que se encuentran disueltos en el agua. Para llevar a cabo esta eliminación se introduce en el agua alimento un par de electrodos de distinta carga eléctrica de manera que los iones disueltos serán atraídos por los electrodos de distinto signo al suyo propio.

    Por este procedimiento se logra desplazar los iones de un lugar a otro de la disolución.

    Es fundamental el empleo de membranas selectivas aniónicas y catiónicas alternativamente para que el agua alimento vaya perdiendo iones negativos y positivos tras su paso por la zona de separación.

    Lo interesante es colocar las membranas alternativamente de tal modo que en unos canales se concentren los solutos, en un agua que se denomina concentrado, y en otros canales circule el agua alimento que va perdiendo poco a poco sus contaminantes hasta salir del proceso con una concentración de sales muy baja.

  • Electrodiálisis Reversible

    En este caso se alteran periódicamente las polaridades de los electrodos de manera que los flujos de agua cambian temporalmente de sentido, pasando a recibir agua depurada aquellos conductos que transportaban el concentrado y al revés.

    Este método elimina el riesgo de formación de precipitados, incrustaciones y obstrucción de las membranas, ya que el cambio periódico del sentido del flujo del agua colabora en la limpieza de conducciones y membranas, además de evitar la aparición de limos y otros depósitos en la planta.

Configuración de Membranas

Existen equipos comerciales con diferente disposición de las membranas, para adaptarse a condicionantes diferentes.

Así, podemos encontrar las siguientes configuraciones:

  • Cartucho de membranas

    Las membranas están plegadas alrededor del colector de permeado. Son sistemas compactos, ideales para tratar soluciones con una baja concentración de sólidos en suspensión y se suelen utilizar con membranas de filtración y de microfiltración.

  • Membranas en espiral

    Un conjunto de láminas de membrana, separadas entre sí por un soporte poroso, se enrolla alrededor de un tubo que actúa como colector de permeado. Es un diseño muy compacto, presenta una buena relación coste-eficiencia y es apropiado para aplicaciones de gran volumen.

    Generalmente se utiliza con membranas de nanofiltración y de ósmosis inversa.

  • Membrana tubular

    Las membranas, de forma tubular, están colocadas en el interior de una carcasa rígida. La alimentación entra por el interior de las membranas y el flujo es en dirección al exterior. Debido al diámetro del tubo de la membrana, de 5 a 10 mm, no es probable que existan problemas de colmatación. Es apropiada para efluentes con una concentración elevada de sólidos en suspensión. Se suele utilizar para aplicaciones de ultrafiltración.

  • Filtro de placa y marco

    Se asemeja físicamente a un filtro prensa. Las membranas se colocan sobre los marcos separadas por placas y la alimentación discurre por el espacio entre las placas y las membranas. A un lado de la membrana se concentran los sólidos y en el otro se evacúa el permeado.

    Esta disposición sólo se utiliza cuando el alimento tiene una elevada viscosidad, generalmente en aplicaciones de las industrias farmacéutica y alimentaria.

  • Fibra hueca

    Consta de un elevado número de membranas con un diámetro inferior a 0,1 mm que constituyen un haz en el interior de una carcasa.

    Se utiliza prácticamente sólo para aplicaciones de nanofiltración y ósmosis inversa para tratar efluentes con una baja concentración de sólidos.

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La respirometría: valorar, controlar y optimizar el proceso de fangos activos

fangos activosLa lenta dinámica del proceso de fangos activos es uno de los inconvenientes principales a la hora de tomar decisiones cuando surgen problemas. Sea cual sea la medida que se decida tomar, sus efectos sobre el proceso no se observarán de forma clara hasta pasados unos días. Este hecho hace que sea especialmente relevante, por un lado, detectar los problemas lo antes posible y, por otro lado, tomar las decisiones correctas desde el primer momento. No obstante, no es posible evaluar el proceso biológico con medidas físicas o químicas, se necesita información directa de la biomasa y del efecto que tiene sobre ella el agua residual a tratar. La técnica de la respirometría permite valorar, controlar y proteger el proceso de fangos activos al aportar información relacionada con el estado o actividad de la biomasa.

La respirometría se basa en la medida de la velocidad del consumo de oxígeno de las bacterias cuando degradan un sustrato orgánico, nitrógeno amoniacal o bien a ellas mismas (respiración endógena). La tasa de respiración (OUR) consiste en la cantidad de oxígeno consumido por las bacterias por unidad de tiempo y se expresa en mg O2/(L•h). Como este parámetro depende de la cantidad de microorganismos presentes en la muestra, habitualmente se trabaja con la tasa de respiración específica (SOUR), que es la tasa de respiración dividida por la cantidad de biomasa de la muestra. Se expresa en mg O2/(g•h) y su valor ya sólo depende del estado de la biomasa y de la cantidad y biodegradabilidad del sustrato que tenga disponible.

Comparando el valor de la tasa de respiración específica de la muestra con los valores de referencia (tabla), se puede conocer si el proceso biológico está sobrecargado (hay demasiado sustrato para tan poca biomasa), opera a buen rendimiento o, por el contrario, se evidencian síntomas de toxicidad. Para una misma agua residual, el aumento progresivo de la tasa de respiración específica es indicativo de un aumento de la actividad biológica, y a la inversa.
A parte de poder conocer la salud y la capacidad actual del proceso de fangos activos y el carácter tóxico del agua residual para los microorganismos mediante la respirometría, esta técnica también permite:

  • Optimizar la aeración y así fomentar el ahorro energético de la planta. A través de la respirometría se determina de manera precisa las necesidades reales de oxígeno, para un agua residual y con una biomasa determinada.
  • Caracterizar el agua a tratar en función de su biodegradabilidad por el fango activo. Se puede conocer el fraccionamiento de la DQO del agua a tratar en función de si es rápidamente biodegradable, lentamente biodegradable o no biodegradable. Esta caracterización es muy útil para valorar y ajustar el proceso.
  • Detectar vertidos industriales con efectos inhibitorios o tóxicos sobre la biomasa. La respirometría permite detectar los efectos perjudiciales del agua residual sobre los microorganismos justo en el momento en que empieza a afectarles, permitiendo tomar medidas que palien los efectos ocasionados.
  • Optimizar el proceso de nitrificación/desnitrificación. Permite determinar la tasa de nitrificación real y la tasa de desnitrificación real de nuestro proceso. En base a estos valores se puede reajustar la edad del fango.
  • Analizar la relación de nutrientes (C:N:P) en el agua residual. El hecho de que los nutrientes esenciales no estén en el agua residual en la proporción que los microorganismos los necesitan produce una serie de efectos negativos sobre la estabilidad del proceso de fangos activos. Mediante la respirometría se puede detectar si la relación de nutrientes en el agua reduce la actividad biológica y es origen de problemas.
  • Determinar parámetros cinéticos, necesarios para la modelización del proceso. Mediante respirometría se pueden determinar parámetros como el coeficiente de rendimiento de la biomasa heterótrofa, la tasa de utilización de la DQO, la tasa de nitrificación, etc.

Así pues, la respirometría es una técnica sencilla y práctica, que nos aporta información directa de la biomasa. Nos permite anticiparnos a la mayoría de problemas que pueden afectar al proceso, garantizando que desde el primer momento se están tomando las medidas correctas para paliar el problema. Asimismo, también constituye una herramienta necesaria para optimizar el proceso y determinar parámetros esenciales para su modelización.

Tabla referencia