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Ingeniería ambiental

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Tratamiento de aguas residuales, efluentes y aire al servicio del Medio Ambiente

Tratamiento de aguas residuales en la industria del vino

Secciones

INTRODUCCIÓN

El sector vitivinícola es uno de los esenciales en la economía agraria de un gran número de países europeos junto con los cereales. La industria vínica y la viticultura constituyen un motor económico muy importante en el desarrollo rural de muchos municipios del Viejo Continente que con el paso de los años han ido adquiriendo gran fama como espacios productores de vino.

Uno de los últimos impulsos recibidos por estas zonas y que han supuesto un cambio muy significativo en su política y en su forma de elaborar vino, fue la constitución de Denominaciones de Origen que permitían obtener una distinción de unos vinos frente a otros. Con el transcurso de los años esta inquietud por la elaboración de vino se ha ido transfiriendo a otros países de todos los continentes que poco a poco han adquirido cada vez mayor peso en su conjunto nacional, así como en el internacional, reduciendo el de la producción europea en los últimos veinte años.   

Los efluentes que se generan en este tipo de industrias unen a un caudal de agua importante, unas cargas contaminantes que deben ser tratadas de acuerdo con las legislaciones vigentes. Por su irregularidad según la etapa de cada temporada, así como la elevada DQO y compuestos orgánicos complejos, en ocasiones difíciles de eliminar.

En este artículo se pretende hacer una aproximación tanto al mundo de la industria vitivinícola como al tratamiento de los efluentes que se generan.  

EVOLUCIÓN DEL MERCADO VITIVINÍCOLA

Los nuevos países emergentes se encuentran situados en áreas geográficas muy alejadas entre sí pero un grupo de ellos presenta unas características comunes con el ámbito del Mediterráneo: su clima.

Las principales áreas productoras en el mundo, además del Viejo Continente, son: Chile, Argentina y la Costa Oeste de Estados Unidos en el continente americano; la República de Sudáfrica, y países del Norte como Egipto o Argelia en África; la costa Este de Australia; y Turquía, Irán y China en el continente asiático.

La especialización entre ellos es diversa ya que, en unos, prima la producción de vino como en los países europeos y americanos, frente a otros como Irán, China, India o Egipto donde la producción de uva para consumo fresco y la uva pasa tiene un papel mayor.

Estos nuevos países emergentes están originando una serie de cambios muy significativos en el panorama vitivinícola mundial restando peso al conjunto europeo al saber adaptarse a las nuevas exigencias de los consumidores.

Sin duda alguna, las estrategias de marketing son un factor clave en la industria vitivinícola en el siglo XXI junto con la capacidad de innovación, de inversión y tecnológica, colocando en primera línea a los nuevos países productores como Australia, Nueva Zelanda y Estados Unidos como los pioneros en estos campos.

 El aumento de superficie en los nuevos países emergentes como China, Chile o Irán entre otros ha generado una serie de cambios en la distribución de hectáreas, en la producción, en las exportaciones y en las importaciones. Si bien, es cierto, que en Europa se localizan los países con mayor superficie y producción del mundo, pero han visto como su distancia respecto al resto se ha ido recortando.  

Esto indica como la industria vinícola y la viticultura se va desplazando poco a poco a otros escenarios mundiales y van surgiendo nuevos espacios y sociedades dedicados al cuidado y transformación de la uva.  

Las últimas décadas del siglo xx se han caracterizado por el incremento de la competitividad en el mercado internacional de los vinos. El empuje que registró la oferta de los nuevos países productores y exportadores de vino, junto al aumento de la demanda de nuevos consumidores, aceleraron el proceso de globalización del vino.

El aumento de las exportaciones mundiales fue espectacular desde comienzos de la década de 1980. A los países productores y exportadores del Viejo Mundo (Francia, Italia, España y Portugal), caracterizados por el predominio de las pequeñas bodegas y cooperativas, se sumaron los del Nuevo Mundo (Australia, Nueva Zelanda, Estados Unidos (básicamente California), Argentina, Chile, Uruguay y Sudáfrica) que, con una estructura organizativa muy competitiva dominada por grandes firmas empresariales, adquirieron protagonismo en la década de los noventa.

Desde entonces los viejos productores pierden cuota de mercado frente a los nuevos productores. Con el incremento de la competencia global se desencadenaron cambios importantes en las estrategias empresariales de producción, comercialización, distribución y marketing.

Tratamiento de residuos de la industria vinicola

Tratamiento de residuos de la industria vinicola

IMPACTO AMBIENTAL DE LAS INDUSTRIAS VINICOLAS Y BODEGAS

El sector de alimentación y bebidas, en su conjunto, produce un importante impacto medioambiental en zonas geográficas concretas, aunque también debemos tener en cuenta su elevado peso relativo en la economía productiva.

La alta concentración de industrias agroalimentarias en estas zonas depende de diversos factores: logísticos (proximidad a zonas productoras y ejes de abastecimiento de materias primas, o a los mercados de consumo), infraestructuras de comunicación, infraestructuras de servicios (polígonos industriales), incentivos o trabas administrativas, exigencias medioambientales, etc.

Sin embargo, la concentración de un tipo de industria agroalimentaria en una zona geográfica determinada no debe observarse exclusivamente como una amenaza medioambiental, ya que también puede ofrecer ciertas ventajas: mayor viabilidad y optimización en la gestión de los residuos (depuradora colectiva, transporte y tratamiento de residuos sólidos en plantas especializadas), apoyo de ayuntamientos y comunidades a las actividades productivas más importantes para la economía local, etc.

Los dos principales problemas que el conjunto de este sector agroalimentario plantea al medio ambiente son: 

  1. Contaminación originada por vertidos líquidos debido, principalmente, a su alto contenido en materia orgánica.     
  2. Contaminación por residuos sólidos en puntos de consumo, a causa de los envases y embalajes que acompañan a las materias primas y a los productos. 

Entre los residuos asociados a este tipo de industria nos encontramos con: 

  • Clarificantes proteicos como la caseína, gelatina y albumina.
  • Cristales de tartrato lo que confiere salinidad.
  • Tierras eventualmente utilizadas en la filtración (ejemplo: diatomeas).
  • Cartones y plásticos; materia orgánica de la uva (las pepitas, raspones y hollejos son los elementos más visibles.

Sin embargo, es la fracción orgánica esencialmente soluble como azúcar, ácidos, alcohol y polifenoles, la que provocaría una mayor contaminación si se vertiera en ríos.

En cuanto a las aguas residuales, se estima que se obtienen entre 12 y 45 litros por hectólitro de vino producido; no obstante, estos efluentes pueden alcanzar los 3 litros por litro de vino producido durante los dos primeros meses a contar desde la vendimia.

Estos efluentes proceden de diferentes etapas: recepción, prensado de la uva, extracción del mosto y desfangado (limpieza de las prensas, lavado del orujo y filtros a vacío); en vinificación (fermentación, clarificación y estabilización) por el lavado de los tanques del proceso, limpieza de filtros y tratamiento de descalcificación de las aguas de refrigeración; envasado (por limpieza de botellas, lavado de cintas transportadoras y derrames de vino).

Es preceptivo realizar un estudio de los procesos de la bodega. El objetivo es conocer los puntos de consumo y vertidos de agua que se realizan en las distintas etapas de producción. Buscamos implantar medidas destinadas a reducir en lo posible tanto el volumen como la contaminación de los vertidos a depurar.

Recomendamos señalar el destino de las aguas residuales en bodegas: Aquellas relacionadas con la explotación y aquellas relacionadas con el sistemas de depuración.

Con el fin de limitar el volumen y concentración contaminante de los efluentes se pueden realizar dos tipos de medidas: las destinadas a economizar agua para reducir el volumen vertido, y las dirigidas a reducir la contaminación en la fuente.

Una primera medida consiste en separar las aguas residuales según su origen: pluviales, sanitarias, y circuitos de refrigeración.

Con el fin de disminuir la carga contaminante, la cava debe reducir los elementos sólidos y líquidos, limitar la contaminación de las aguas residuales mediante el uso de filtros ecológicos y valorización de tartratos. Seguidamente indicamos un listado de potenciales medidas y repercusiones.

  • Separar las aguas industriales de las limpias que no necesitan depuración. Normalmente el 80% de la DQO se concentra en las aguas residuales en bodegas de limpieza y suponen el 20% de los vertidos, siendo interesante considerar el tratamiento de los efluentes por separado. La Evaporación es un proceso que puede resultar rentable para esta aplicación.
  • Realizar una primera limpieza en seco.
  • Limpieza final con agua a presión.
  • Implantar un plan de actuación para prevenir fugas y derrame.
  • Formar e informar a los empleados

AGUAS RESIDUALES DE LAS INDUSTRIAS VITIVINÍCOLAS

En las industrias de este tipo, es necesario distinguir entre bodegas o elaboración de vino y destilerías – alcoholeras o tratamiento de subproductos derivados de la elaboración de la uva.

Distinción obligada por la variabilidad de los caudales de vertido en función de lo que se produce y por la modalidad de tratamiento que requieren los vertidos, cada uno tiene sus particularidades.

Centrándonos en los vertidos líquidos, debemos resaltar que en las bodegas el agua tiene una gran relevancia en los procesos auxiliares, como operaciones de limpieza (lavado) de aparatos (tolvas de recepción, despalilladoras, prensas, filtros y centrifugas), depósitos, conductos y suelos. 

En general, la naturaleza de la contaminación hídrica es principalmente orgánica, aunque también nos encontramos con residuos minerales, tierras, grasas, detergentes y desinfectantes, contaminantes tóxicos exógenos localizados en la uva, etc., caracterizándose por: 

  • Elevada carga contaminante básicamente orgánica, como consecuencia 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 macroorganismos vivos o muertos (levaduras, bacterias lácticas y acéticas, hongos). 
  • Residuo mineral, suele ser bitartrato potásico que precipita en el transcurso de la fermentación y la estabilización después del enfriamiento del vino.
  • Alta concentración de DBO5 y DQO. 
  • pH ácido en los vertidos de bodega y básico en los de la planta de embotellado. 
  • Sólidos en suspensión en altas concentraciones, gran parte de ellos en forma coloidal. 
  • Alta biodegradabilidad. 
  • Carencia de productos de alta toxicidad, lo que favorece su biodegradabilidad. 
  • Tierra procedente de la vendimia, que suele entrar en forma de polvo o barro. 
  • Grasas y aceites procedentes de la maquinaria y aperos.
  • Agentes de limpieza como: ácidos inorgánicos fuertes (fosfórico, nítrico, clorhídrico), ácidos orgánicos débiles (láctico, cítrico, tartárico, glucónico, acético, hidroxiacético y levulínico), álcalis inorgánicos (hidróxido sódico, silicatos , metasilicato sódico, carbonato sódico y trisfasofato sódico), tensioactivos aniónicos (jabones, oleosulfatos, alquil-sulfatos, alquil-sulfonatos y alquil-fosfatos), catiónicos (alquiamias primarias, óxidos de amina, aminas etoxiladas y sales de amonio cuaternarias), anfóteros (N-alquibetaínas, ácido N-alquil-b-aminopropiónico, alquil imidazoínas y N-alquil dulfobetaínas), no iónicos (óxido de etileno); secuestrantes (pirofosfato tetrasódico, tripolifosfatos sódicos, tetrafosfato sódico, hexametafosfato sódico, EDTA, ácido nitrilo acético y ácido glucónico)
  • Desinfectantes como el cloro y sus compuestos (hipocloritos sódicos y cálcicos, cloramina T y B y dicloroamina T), compuestos de amonio cuaternario, iodóforos, aldehídos (formaldehído y glutaraldehído), compuestos liberadores de oxígeno (ozono, peróxido de hidrógeno, ácido peracético, permanganato potásico
  • Residuos de productos fitosanitarios que se encuentran en la uva, muchas veces por una inadecuada utilización de los plaguicidas y por no respetar los plazos de seguridad marcados por las casas comerciales. Estos tóxicos se transfieren al mosto y al vino, pero la mayor parte de ellos son eliminados en los distintos procesos enotécnicos (prensado, desfangado, trasiego y estabilización del vino acabado).

Además, estos vertidos muestran una gran irregularidad en cuanto a caudales, composición de las aguas residuales y concentración de contaminantes, dependiendo normalmente de las horas del día, ya que influyen factores como la frecuencia de entrada de materia prima, la tecnología de vinificación empleada, las variedades de uva transformadas, el tamaño de la bodega, etc.; y de una estacionalidad del ciclo anual, teniendo el mayor volumen durante la vendimia.

En la industria vinícola, la naturaleza de la contaminación hídrica es principalmente orgánica, aunque también nos encontramos con residuos minerales, tierras, grasas, detergentes y desinfectantes, contaminantes tóxicos exógenos localizados en la uva, etc.

Las características del tipo de vertido de este sector son:

  • Elevada carga contaminante básicamente orgánica, como consecuencia 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 micoorganismos vivos o muertos (levaduras, bacterias lácticas y acéticas, hongos).
  • Residuo mineral, suele ser bitartrato potásico que precipita en el transcurso de la fermentación y la estabilización después del enfriamiento del vino.
  • Alta concentración de DBO5 y DQO.
  • pH ácido en los vertidos de bodega y básico en los de la planta de embotellado.
  • Sólidos en suspensión en altas concentraciones, gran parte de ellos en forma coloidal.
  • Alta biodegradabilidad.
  • Carente de productos de alta toxicidad, lo que favorece su biodegradabilidad.
  • Tierra procedente de la vendimia, que suele entrar en forma de polvo o barro.
  • Grasas y aceites procedentes de la maquinaria y aperos.
  • Agentes de limpieza 
  • Desinfectantes como el cloro y sus compuestos
  • Residuos de productos fitosanitarios que se encuentran en la uva

La generación de aguas residuales en bodegas es el aspecto ambiental más significativo de la actividad de estas empresas, tanto por los elevados volúmenes generados como por la carga contaminante asociada a las mismas, así como la estacionalidad de sus vertidos, función de la cosecha de la fruta (uva).

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La mayor parte del agua que se utiliza en el sector acaba finalmente como corriente de agua residual. En algunos casos hay que tener en cuenta que parte del agua captada se utiliza para los sistemas de refrigeración de los depósitos de elaboración o fermentación de la uva, en el caso de bodegas y en el caso de las alcoholeras por el agua extraída del subproducto (vinazas, orujos, vino, etc.)

El elevado consumo de agua se debe principalmente a la necesidad de mantener unos exigentes estándares higiénicos y sanitarios, además de, en algún caso, corrientes de limpieza de sistemas de regeneración o filtración.

Estas aguas suelen tener la particularidad de un alto contenido de carga contaminante en forma de DQO y DBO5, ser deficitaria en nutrientes y ser muy variable, debido a la estacionalidad de la producción, excepto en plantas que sólo hacen embotellado o alcoholeras que tienen suficiente materia prima para trabajar ininterrumpidamente todo el año.

En las alcoholeras hay que tener muy en cuenta los procesos de extracción que se llevan a cabo dentro de la fábrica, no es lo mismo utilizar ácido nítrico con carbonatos cálcicos, que sulfato cálcico, nos provocarán problemas por los nutrientes.

Analítica típica de las aguas residuales de una bodega

PARÁMETROS      BODEGA 1BODEGA 2BODEGA 3
pH3,9 – 7,94,6 – 84,2 – 7,8
Conductividad (µS/cm)600-2000
DBO5(mg O2/l)300 – 15002500200 – 5900
DQO (mg O2/l)900 – 350046501000-15000
SS (mg/l)1100 – 1500640200 – 1500
N Tot (mg/l)13 – 22061
P Tot (mg/l)11 – 18313
Aceites y grasas (mg/l)3-55

TRATAMIENTO DE LOS VERTIDOS

Para el tratamiento de los efluentes se consideran procesos biológicos de fangos activos, en todas sus variantes funcionales (SBR, MBR, MBBR, aireación prolongada, etc.) como las técnicas adecuadas para el tratamiento de estos vertidos.

Dado el carácter estacional del caudal (concentrándose en la vendimia, dos primeros meses desde su comienzo), se suele contar con dos líneas paralelas de tratamiento o bien se hacen ciertas consideraciones en el diseño de la instalación, que nos permitan operar de forma distinta según la época del año en la que nos encontramos.

La línea de tratamiento típica que nos encontramos en este tipo de soluciones es la siguiente:

PRETRATAMIENTO

Tratamiento físico

Es necesaria la fase de separación de sólidos y líquidos para evitar todo riesgo de obturación en las conducciones, bombas y demás elementos del sistema de tratamiento de aguas.

Se recomienda un equipo de tamizado de sólidos automático para separar las partículas sólidas gruesas y finas (tamaño superior a un milímetro) tal y como las pepitas, hollejos, raspones, etc.

Tratamiento fisicoquímico

En la fase de tratamiento primario se recomienda un equipo DAF (Flotador por Aire disuelto), para la eliminación de las partículas sólidas más finas junto con las fases flotantes que pudieran existir en el agua (aceites, grasas,…).

Mediante la inyección de productos químicos, el tratamiento fisicoquímico facilita la coagulación y floculación de sustancias solubles que de otra manera no podrían separarse, y facilitar su precipitación y flotación para posterior extracción.

Con este sistema físico–químico se logra reducir las variaciones de caudal y conseguir unos rendimientos de eliminación de sólidos en suspensión, aceites y grasas superiores al 95%. Esto conllevará igualmente una reducción de la DBO5 igual o superior al 50%.

TRATAMIENTO BIOLÓGICO

TRATAMIENTO BIOLÓGICO AEROBIO

El tratamiento biológico tiene por función la eliminación de materia orgánica (DBO5), materia en suspensión (SS), así como la oxidación del nitrógeno reducido (NTK) a nitrógeno en forma oxidada (NO³-) = etapa de nitrificación.

Existe diversidad de tratamientos biológicos aplicables, entre los que comentamos los siguientes:

Tratamiento biológico por fangos activos de baja carga

Con este tratamiento, la eliminación de la materia orgánica y los sólidos coloidales presentes en el agua residual se realiza en un ambiente aerobio mediante la intervención de microorganismos capaces de su degradación.

Para una mejor productividad se añade un sistema de aportación y distribución de oxígeno en el reactor biológico a través de una parrilla de difusores de burbuja fina.

Los difusores de burbuja fina (60 micras) consiguen altos rendimientos en los procesos de transferencia de oxígeno debido a su pequeño diámetro y a su ascensión lenta hasta la superficie.

En la etapa de clarificación o decantación secundaria se separan por diferencia de densidad los sólidos biológicos del agua, obteniendo fango en la parte inferior y agua clarificada por el vertedero de salida.

Tratamiento biológico mediante lecho móvil (MBBR)

Con este tratamiento se reduce el volumen de los reactores biológicos. Consiste en disponer distintos rellenos y etapas de depuración en que determinadas bacterias prevalecen sobre otras a fin de optimizar la depuración biológica. Se necesitará instalar un decantador para la extracción de los fangos producidos.

Tratamiento biológico mediante biomembranas (MBR)

El sistema de membranas de ultrafiltración reemplaza el tratamiento convencional de fangos activos y combina la filtración, la aireación y la clarificación en una sola etapa. Otro elemento destacable de este sistema es su compacidad y modularidad; en caso de ser necesario tratar un caudal mayor al previsto, basta con ir ampliando el número de cartuchos de forma rápida y sencilla. Así pues, hablamos de ciertas ventajas del tratamiento MBR frente a otras opciones:

  • Menor volumen en el reactor biológico.
  • Menor producción de fangos, entorno al 50 – 60%, respecto al tratamiento por fangos activos de baja carga.
  • Mejor calidad en el agua de salida.
  • Reutilización posible del agua.
  • Cumplimiento de normas ambientales estrictas.

El problema principal que afecta a estos procesos de depuración es el bulking de tipo viscoso.

Este problema se produce debido a la producción excesiva de polímeros extracelulares asociada al crecimiento de ciertas bacterias, lo que puede dar una consistencia gelatinosa al fango, provocando una reducción de la velocidad de sedimentación y de compactación, así como disminuir su rendimiento de deshidratación.

Otro problema importante en este tipo de depuradoras es el bulking filamentoso (denominado también esponjamiento del fango), generado por la proliferación masiva de microorganismos filamentosos.

Ambos problemas biológicos (tanto el bulking viscoso como el bulking filamentoso) dificultan la sedimentación del fango en el decantador secundario llegando a producir escape de sólidos con el efluente, parámetro limitado por la legislación de vertidos.

Además, estos vertidos muestran una gran irregularidad en cuanto a caudales, composición de las aguas residuales y concentración de contaminantes, dependiendo normalmente de las horas del día, ya que influyen factores como la frecuencia de entrada de materia prima, la tecnología de vinificación empleada, las variedades de uva transformadas, el tamaño de la bodega, etc, y de una estacionalidad del ciclo anual, teniendo el mayor volumen durante la vendimia.

TRATAMIENTO BIOLÓGICO ANAEROBIO

Una opción de tratamiento que resulta más costosa de instalación que las anteriormente descritas, pero también más eficiente, produce menos fangos, y es  capaz de generar biogás que luego se trasforma en energía eléctrica o calorífica, es la de utilizar como estadio previo un tratamiento anaerobio de los efluentes generados.

En este caso, el pretratamiento, será similar al comentado para el tratamiento aerobio; de aquí se homogeneizará el efluente en un depósito agitado desde donde es bombeado aun sistema biológico anaerobio del tipo UASB / EGSB/ o similar.

La exigencia de nutrientes (N, K, P…) será notablemente inferior a la que  demanda un tratamiento aerobio, con lo consiguiente ahorro, y, además, la producción de fangos es muy baja y revalorizable para otras depuradoras o para reserva de la misma.

El rendimiento de depuración es del orden del 80- 90 %, con lo que, en muchos casos, no será preciso más tratamiento (vertidos a colector).

Cuando nos encontramos con normativas más exigentes, como vertido a dominio público, se procesa el efluente resultante en un tratamiento biológico aerobio de aireación prolongada, seguido de un decantador secundarios con recirculación de fangos.

TRATAMIENTOS AVANZADOS

Si el efluente del tratamiento secundario se desea reutilizar para regar el viñedo, previamente deberá ser sometido a una etapa de desinfección.

La desinfección más compatible con los posteriores usos de esta agua son la oxidación mediante ozono y la radiación ultraviolada. En cambio, si se desea utilizar el agua de nuevo en el proceso, será necesario un tratamiento más completo para mejorar su calidad.

El efluente del tratamiento secundario deberá ser filtrado (mediante un lecho granular de arena o similar) como proceso de pretratamiento previo antes de un proceso de filtración por membranas, generalmente, una ultrafiltración y después una ósmosis inversa.

La calidad del permeado de la ósmosis inversa es excelente y permite cualquier uso dentro del proceso de elaboración del vino.

Una tecnología aún en fase de desarrollo, pero que puede arrojar muy buenos resultados económicos, consiste en producir una fermentación del agua residual para transformar todos los azúcares presentes en etanol, el cual puede ser separado mediante un proceso de concentración-evaporación al vacío.

El etanol separado representa en torno al 85% de la DQO inicial. Así, por un lado se dispone de etanol, un subproducto revalorizable, y por otro lado de un agua residual descontaminada parcialmente, con una DQO alrededor de 250-300 mg O2/L.

Esta reducción de DQO supone una considerable disminución del oxígeno que se debe aportar en el proceso biológico, por lo que el ahorro económico es muy importante.

Así pues, teniendo en cuenta que la mayor parte de las aguas residuales se generan durante los procesos de lavado, es muy importante aplicar buenas prácticas para reducir al máximo el volumen producido.

Por lo general, las aguas deberás ser tratadas mediante un proceso biológico para eliminar la elevada carga orgánica que contienen.

El tipo de proceso, así como si se deberá añadir también algún tratamiento terciario, dependerá en gran medida del destino de las aguas tratadas, que será su vertido a la red de alcantarillado pública, a cauce natural, su reutilización para riego o incluso para utilizarlas de nuevo dentro del proceso.

Tratamiento de residuos de la industria vinicola

TRATAMIENTOS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE BODEGAS Y ALCOHOLERAS

Como hemos indicado anteriormente, las bodegas e industrias alcoholeras generan grandes volúmenes de aguas residuales con un alto contenido en materia orgánica, aunque con la modernización y optimización de los procesos y las instalaciones productivas se podría llegar a importantes reducciones de los volúmenes y los niveles de contaminación. 

Un procedimiento de depuración es retener estas aguas en balsas de evaporación. Sin embargo, en la actualidad, está descartado ya que causa malos olores, puede contaminar las aguas subterráneas, existe un gran peligro de desborde en el caso de lluvias intensas,  y se generan grandes volúmenes de agua por lo que se necesitaría grandes balsas, etc.

Una posible opción sería la evaporación a vacío con el tratamiento de gases, lo que solventaría los problemas mencionados en el proceso de las balsas de evaporación y reduciría el espacio ocupado y el impacto ambiental.

RESUMEN

Las industrias vitivinícolas tiene un importante papel en el aspecto económico y nutricional mundial.

En las últimas décadas se ha generado un mercado muy competitivo con numerosos paises emergentes que, debido a las variaciones de temperatura originados por el cambio climático, y por el conocimiento de las técnicas de consecha, vendimia y producción.

Este tipo de industrias tiene un elevado consumo de agua para sus procesos de fabricación, y además aporta a los vertidos una importante cantidad de materiales orgánicos que proporcionan una elevada DQO y un surtido de contaminantes que van desde los agentes de limpieza a los fitosanitarios y los propios residuos azucarados y los taninos.

Los tratamientos convencionales suelen presentar problemas por la estacionalidada, variación e inestabilidad de los vertidos, pues se suelen producir fenómenos de tipo bulking en los biológicos aerobios, y los procesos anaerobios resultan costosos.

En estas condiciones, se viene planteando la necesidad de optimizar los procesos de fabricación para la minimización de vertidos y contaminantes, así como la segregación de los más concentrados, y es ahí donde caben tecnologías como la evaporación a vacío, pues en muchas, ocasiones, se pueden llegar a revalorizar los concentrados obtenidos.

Bibliografía e información online

http://www.proyectonisal.org/dmdocuments/Medina_y_Martinez_La_competitividad_internacional_de_la_industria_vinicola_esp_durante_la_globalizacion_del_vino.pdf

http://web.ua.es/revista-geographos-giecryal

Andreoni, V., Danffonchio, D., Fumi, M.R., Marchetti, R. , Roíz, A. y Silva, A. 19995. Anaerobic and aeróbic treatment of winery wastewater: Results of an interuniversitary research. Revue Francaise  d ́Enologie, 152: 41-43. 

Metcalf-Eddy. 1994. Ingeniería sanitaria. Tratamientos, ecavuación y reutilización de aguas residuales. Ed. Labor. Barcelona. 

Tratamiento de aguas residuales de la industria láctea

Secciones

Introducción

La industria láctea es un sector de la industria que tiene como materia prima la leche procedente de animales (por regla general vacas, cabras y ovejas).

La leche es uno de los alimentos básicos de la humanidad. Los subproductos que genera esta industria se conocen como lácteos e incluyen una amplia gama que van desde los productos fermentados, como el yogur y el queso, hasta los no fermentados: mantequilla, helados, etc. 

La industria láctea que procesa leche líquida y productos con una vida útil corta, tales como yogures, cremas y quesos blandos, tienden a estar ubicadas en la periferia de los centros urbanos cercanos a los mercados de consumo.

Las plantas que elaboran elementos de vida útil más larga, como la mantequilla, la leche en polvo, queso y suero en polvo, tienden a estar situados en zonas rurales cercanas a la producción de leche.

La mayoría de las plantas de procesamiento de grandes volúmenes se suelen especializar en una gama limitada de productos. Sin embargo, las grandes plantas de producción con una amplia gama de productos son todavía comunes en Europa del Este, un vestigio de la antigua concepción centralizada, impulsado por la oferta del mercado bajo gobiernos comunistas.

En países en desarrollo es común notar que la elaboración de estos productos lácteos se desarrolla en las mismas granjas lecheras.

Las producciones de leche de oveja y cabra se destinan en un 90% a la industria transformadora, mientras que el 10% restante se utiliza para la elaboración de quesos artesanales.

Se necesitan entre 9 y 10 kg de leche de vaca para elaborar 1 kilo de queso, pero bastan tan sólo 8-9 kg de leche de cabra y solamente 5 kg de leche de oveja. 

Ámbito de aplicación

La leche es un alimento indispensable en la dieta humana diaria ya que es rico en nutrientes y una fuente de proteínas de elevado valor biológico.

Contiene componentes con propiedades beneficiosas demostradas científicamente para el sistema inmunitario, cardiovascular y digestivo y, además, es la principal fuente dietética de calcio, no solo por su elevado contenido de este mineral, sino también por su alto aprovechamiento gracias a otros componentes que incluye.

No obstante, en los últimos años, han empezado a circular mensajes sin demasiada base científica que afirman que el consumo de leche puede ser perjudicial para la salud.

En su aspecto económico, se estima que más de 750 millones de personas en todo el mundo se dedican a la producción de leche. El sector lechero proporciona más empleo por unidad de producción de leche en los países en desarrollo que en los países desarrollados.

Esto es debido principalmente a que los países desarrollados tienen sistemas de producción con un mayor empleo de tecnología y un menor uso de mano de obra.

En los países en desarrollo, la producción lechera a pequeña escala orientada al mercado genera empleo en la explotación y aumenta los ingresos agrícolas, además de crear empleos fuera de la explotación y oportunidades de ingresos en la recolección, comercialización y procesamiento de la leche.

En muchos países en desarrollo, la producción lechera ofrece a los pequeños agricultores, mayores utilidades que la de cultivos, y genera más oportunidades de empleo que otras cadenas de valor del sector alimentario. 

Actualmente existe una gran de cantidad de empresas importantes dedicadas al sector lácteo, entre las que destacan las que aparecen en este gráfico:

lacteo-1

En las siguientes tablas se indican los países mayores productores y los mayores consumidores del mundo.

Productores:

BLOQUES/PAÍSES2018 miles de millones de kg.s de lecheVariación 2017-2018
UNIÓN EUROPEA 28166,70,8%
EEUU98,71,0%
INDIA90,27,98%
BRASIL34,70,5%
CHINA30,81,2%
RUSIA30,61,4%
NUEVA ZELANDA22,23,0%
TURQUIA20,06,8%
PAKISTAN17,43,8%
MÉXICO12,42,0%
Top 10: 74,4% de la producción total mundial

Consumo per cápita:

Países-Bloques seleccionados 2018LecheMantecaQueso
Francia45,38,426,5
Alemania51,45,824,1
Lituania40,94,120,8
Unión Europea59,43,918,9
Australia101,83,214,0
Estados Unidos65,32,617,3
Nueva Zelanda105,45,910,1
Bielorusia69,73,013,5
Irlanda114,72,46,8
Argentina35,60,612,9
Uruguay62,41,69,5
Chile25,51,710,6
Rusia33,72,15,6
México33,10,74,3
Brasil39,30,43,7
Japón30,90,62,5
Sudáfrica28,30,51,9
China21,40,10,1
Zimbabwe2,70,00,6

GENERACIÓN DE EFLUENTES

La generación de aguas residuales es el aspecto ambiental más significativo de la actividad del sector, tanto por los elevados volúmenes generados, como por la carga contaminante asociada a las mismas.

La mayor parte del agua que se utiliza acaba finalmente como efluente, ya que no existe aporte de agua al producto final. Por tanto, el agua residual generada en un proceso fabril será la resultante de descontar al consumo total la que se ha perdido por evaporación.

En general, entre el 80-95% del agua total consumida forma parte del efluente final, salvo excepciones de fabricación de leche en polvo, etc. Las principales corrientes parciales que más contribuyen en volumen y/o carga contaminante al efluente final proceden de:

  • Limpieza de equipos, instalaciones, CIP de limpieza de líneas, etc.
  • Rechazos de los sistemas de ultrafiltración o sistemas de osmosis en el procesado de algún derivado.
  • Limpieza de camiones de transporte de materia prima.

Las concentraciones pueden variar de una instalación a otra, y en ciertos casos, presentar valores bastante diferentes a los anteriores. Las causas de la variabilidad en la concentración de los parámetros de los efluentes son múltiples, destacando:

  • El grado de optimización del consumo de agua,
  • Los procedimientos de limpieza y productos químicos utilizados, CIP de limpieza.
  • La tecnología utilizada en las operaciones consumidoras de agua.
  • Cambio de producciones como consecuencia de la variación en los productos a fabricar.

Estas aguas suelen tener la particularidad de alto contenido graso y nitrógeno elevado (de ahí la necesidad de procesos de nitrificación/desnitrificación), y alto contenido en fósforo. Además de los ya conocidos problemas de alta DQO.

Como en la mayoría de las empresas del sector agroalimentario, las industrias lácteas consumen diariamente grandes cantidades de agua en sus procesos y, especialmente, para mantener las condiciones higiénicas y sanitarias requeridas.

Dependiendo del tipo de instalación, el sistema de limpieza y utilización, la cantidad total de agua consumida en el proceso puede llegar a superar varias veces el volumen de leche tratada.

Este consumo suele encontrarse entre 1,3-3,2 l de agua/kg de leche recibida, pudiéndose alcanzar valores tan elevados como 10 l de agua/kg de leche recibida.

Sin embargo, es posible optimizar este consumo hasta valores de 0,8-1,0 l de agua/kg leche recibida utilizando equipamientos avanzados y una operación adecuada.

Como se indica más abajo en la tabla, el mayor consumo de agua se produce en las operaciones auxiliares, particularmente en la limpieza y desinfección, donde se emplea entre el 25-40% del total.

Valoración cualitativa del consumo de agua en la industria láctea

PROCESO PRODUCTIVONIVEL DE CONSUMOOPERACIONES CON MAYOR CONSUMO DE AGUAOBSERVACIONES
LecheBajo Tratamiento térmico Envasado
Nata y mantequillaBajoPasterización de la nata Batido-AmasadoLavado de la mazada antes del amasado
YogurBajoPrincipalmente en operaciones auxiliares
QuesoMedioSaladoSalado mediante salmueras
Operaciones auxiliaresAltoLimpieza y desinfección Generación de vapor RefrigeraciónEstas operaciones suponen el mayor consumo de agua

Composición típica aguas residuales industrias lácteas

En general, los efluentes líquidos de una industria láctea presentan las siguientes características:

  • Alto contenido en materia orgánica, debido a la presencia de componentes de la leche. La DQO media de las aguas residuales de una industria láctea se encuentra entre 1.000-6.000 mg O2/l.
  • Presencia de aceites y grasas, debido a la grasa de la leche y otros productos lácteos, como en las aguas de lavado de la mazada.
  • Niveles elevados de nitrógeno y fósforo, principalmente debidos a los productos de limpieza y desinfección.
  • Variaciones importantes del pH, vertidos de soluciones ácidas y básicas. Principalmente procedentes de las operaciones de limpieza, pudiendo variar entre valores de pH 2-11.
  • Conductividad elevada (especialmente en las empresas productoras de queso debido al vertido de cloruro sódico procedente del salado del queso).
  • Variaciones de temperatura (considerando las aguas de refrigeración).
  • Las pérdidas de leche, que pueden llegar a ser del 0,5-2,5% de la cantidad de leche recibida o en los casos más desfavorables hasta del 3-4%, son una contribución importante a la carga contaminante del efluente final. Un litro de leche entera equivale aproximadamente a una DBO5 de 110.000 mg O2/l y una DQO de 210.000 mg O2/l.

Las industrias lácteas pueden ser de mono producto o bien (caso más frecuente) de varios productos. En la siguiente tabla se observan las concentraciones habituales de cada tipo de vertido en función del producto que se fabrica:

PARÁMETROLECHEQUESOSDERIVADOS LACTEOSHELADOS
pH8,56,98,58
DQO (mg/l)177545004000925
SS (mg/l)435850825425
Fósforo (mg/l)20356,255,5
NTK (mg/l)6510010075
Conductividad (µS/cm)1650315012501200
Cloruros (mg/l)140220100135
Nitratos (mg/l)501059075
Aceites y grasas (mg/l)10536511025
Detergentes (mg/l)3.577,56

TRATAMIENTO DE LOS EFLUENTES

Una planta de tratamiento para efluentes lácteos requiere ser diseñada básicamente para reducir los niveles contaminantes de parámetros tales como: DBO5, aceites y grasas, sólidos suspendidos, y para corregir el pH del efluente.

A pesar de la variabilidad en los parámetros de vertido, se puede considerar unos sistemas básicos de control y de pretratamiento que se adapten a las características generales de los vertidos y que puedan servir de orientación para que las empresas desarrollen unos sistemas más específicos y adecuados a los efluentes que generan.  

Con carácter general, el tratamiento de estas aguas residuales puede realizarse mediante un tratamiento biológico, requiriendo previamente la separación de sólidos en suspensión y de grasas y aceites.

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En el caso de las aguas procedentes de la elaboración de quesos puede ser necesaria, además, la eliminación de fósforo. Por otro lado, dada la elevadísima DQO y conductividad del lactosuero, la primera medida de control es recuperar totalmente los restos de lactosuero y evitar que estos lleguen a mezclarse con el resto de las aguas residuales. 

Los sistemas de depuración de aguas residuales deben ser aquellos que garanticen el cumplimiento de los límites establecidos por la legislación en función del punto al que vierte la empresa (sí el vertido se realiza a cauce público los límites son más restrictivos que sí se realiza a un colector de una depuradora de aguas residuales). 

La instalación de depuración de efluentes típica en este sector se compone de:

  • Pretratamiento, en el que incluimos desbaste y homogeneización
  • Tratamiento Fisicoquímico
  • Tratamiento biológico
  • Secado de fangos

PRETRATAMIENTO

El pretratamiento puede ser del tipo físico o fisicoquímico, dependiendo de las concentraciones que presenten aquellos contaminantes inhibidores del proceso biológico.  

Un sistema básico (que no suficiente) de control y pretratamiento que deberían tener todas las empresas de este sector, y que en algunas ocasiones será suficiente para que puedan realizar sus vertidos dentro de los límites establecidos, debe constar de los siguientes elementos:  Sistema de regulación – homogeneización aireado. Separador de grasas y aceites, Depósito o balsa del tamaño suficiente para asegurar el suministro continuo de flujo al sistema de separación de grasas posterior.

Este depósito permite además que se produzca una primera laminación de las puntas de carga y volumen de los diferentes flujos de vertido de aguas. Es conveniente la aireación del depósito para evitar fermentaciones aeróbicas ácidas no deseadas. 

En el separador de grasas y sólidos en suspensión por flotación. En función de las características del vertido puede ser necesaria la adición de productos coagulantes y el control del pH para asegurar un buen rendimiento de separación

En cabeza de la instalación se suelen disponen sistemas de rejas con distintitas luces (una previa de gruesos de unos 20-30 mm, seguida de una de finos de unos 5 – 10 mm; tras la separación de grasas, y antes de llegar al tratamiento fisicoquímico, se suelen utilizar tamices circulares o curvos, con luces del orden de los 3 – 5 mm, lo que asegura la correcta separación de sólidos sedimentables o de tamaño grande.

La presencia de estos sólidos aporta problemas importantes, sobre todo en el balón de presurización del sistema de flotación del tratamiento fisicoquímico posterior, pues se acumulan en su interior, produciéndose su ensuciamiento, atascamiento e incluso la descomposición de la DQO; si la flotación no funciona correctamente y llegan aceites y grasas en exceso al sistema biológico, la depuración pierde efectividad, ya que las bacterias tienen más dificultad para llegar a su alimento.

TRATAMIENTO FISICOQUÍMICO:

Suele estar compuesto por un flotador con aire disuelto (DAF), que recibe la dosificación de reactivos coagulante y floculante, previo ajuste de pH, seguido de un depósito de regulación. El efluente así tratado podrá someterse a un sistema de membranas de ultrafiltración que asegura la eliminación prácticamente total de aceites y grasas.

Tratamiento primario: Desengrase + tamizado + fisicoquímico + UF

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TRATAMIENTO BIOLÓGICO:

Por las elevadas cargas de DQO que normalmente contienen estos efluentes, y que la temperatura suelen estar entre los 25 – 30 ºC,  se impone un tratamiento biológico anaerobio, que de reducirá la DQO entre un 70 y un 80 %, con un proceso UASB, o bien con procesos más evolucionados como el EGSB o el PAQUES , capaces de obtener mayores rendimientos con un menor espacio ocupado. Una importante ventaja de la tecnología anaerobia, además de que prácticamente no tiene consumo energético, es que la producción del fango biológico es muy inferior a la de los procesos biológicos aeróbicos, además de que se genera biogás que una vez tratado se puede quemar en una caldera específica aportando a la fábrica un importante sumando de energía recuperada que podrá aplicar para sus procesos.

La tecnología de tratamiento anaerobio tiene un consumo de nutrientes relativamente pequeño, con lo que el nitrógeno consumido para la depuración será bajo y, si el aporte es elevado (como suele suceder), se hará preciso un proceso de nitrificación – desnitrificación en un tratamiento biológico aerobio posterior; así se reduce tanto el contenido de este elemento como el contenido residual de DQO hasta llegar a los limites admitidos en los vertidos. 

Tratamiento secundario: Anaerobio – biológico con nitrificación y desnitrificación + MBR

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Tratamiento terciario: MBR

El efluente así tratado podrá ser reutilizado en parte en algunos procesos de la propia fábrica emisora, pero si además se dispone un sistema MBR en el sistema biológico aerobio, en lugar de un decantador o flotador secundario, la calidad obtenida en el efluente tratado será muy superior, y se podrá utilizar en más puntos de la fábrica y, por lo tanto, efectuar un vertido final mínimo.

Rendimientos depuración de vertidos

Los rendimientos que se alcanzan habitualmente en una depuradora de efluentes de este tipo de industrias se aproximan a los siguientes valores:

PRODUCTOEFLUENTE BRUTODESPUÉS DEL FISICO QUÍMICODESPUÉS DEL BIOLÓGICO
DBO5 (mg/l)2000-6000600-2500 (60 %)<30
SS (mg/l)1000-6000100-300 (98 %)<30
Aceites y grasas (mg/l)200-2000100 (90 %)<50

Con un sistema MBR como tratamiento terciario se pueden obtener valores de < 10 ppm de SS, y en proporción similar para el resto de los contaminantes.

SECADO DE FANGOS:

Los fangos separados en el pretratamiento y el biológico aerobio, se envían a un espesador a fin de concentrarlos de aproximadamente un 2 – 3% hasta un 6 – 8 % ; los fangos anaerobios se reservarán para posibles incidentes, o bien se venderán como subproducto para otras depuradoras.

El fango espesado habitualmente se trata con cal y floculante y luego se somete a una deshidratación con filtro prensa o decanter centrífugo a fin de evacuarlo a vertedero o para compostaje.

Si se utiliza un sistema de evaporación a vacío, se podrán alcanzar concentraciones muy superiores, y su destino será más usual para compostaje, pues contendrá menos contaminantes.

Una de las ventajas que ofrece el tratamiento anaerobio es la de producir biogás que se puede destinar a producir energía en una caldera, y a partir de esta energía se reduce el consumo energético y por lo tanto se hace más viable el proceso de evaporación, mucho más limpio y eficaz que el tradicional secado mecánico.

Secado de fangos con Evaporación

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TRATAMIENTO CONVENCIONAL Y OPCIONES ALTERNATIVAS

El tratamiento convencional estaría basado en un proceso biológico aerobio para eliminar la materia orgánica disuelta, que es aproximadamente el 70% de la materia orgánica total.

No obstante, previamente al proceso biológico sería conveniente desbastar el agua mediante un tamiz rotatorio, de 1-2 mm de tamaño de paso, y retirar las grasas presentes.

Las grasas dificultan en gran medida el proceso biológico, por lo que es conveniente separarlas con anterioridad. Las grasas reducen la velocidad de disolución del oxígeno en el agua y forman una capa sobre la superficie de la biomasa reduciendo así la transferencia de oxígeno disuelto a la biomasa.

Las grasas se separan del agua por flotación mediante la adición de finas burbujas de aire, que ayudarán a las partículas de grasa a alcanzar la superficie con mayor velocidad. Las grasas, una vez separadas del agua y concentradas, se gestionan externamente (incineración).

A continuación, las aguas se tratan biológicamente mediante un sistema que permita la eliminación de nutrientes. Después de una decantación secundaria las aguas ya pueden ser vertidas, mientras que los lodos separados deberán ser espesados, deshidratados y gestionados externamente.

Estos lodos deberán ser estabilizados, mediante un proceso de compostaje, de digestión anaerobia, de secado térmico, etc.

Otra opción de tratamiento, más novedosa que el proceso biológico aerobio, es la transformación de la materia orgánica de las aguas residuales en biogás mediante un sistema anaerobio tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).

Los procesos biológicos anaerobios son más eficaces y económicos cuando el afluente dispone de una elevada concentración de compuestos orgánicos biodegradables. En relación al proceso biológico se consume menos energía y además se produce biogás, el cual se puede utilizar para producir energía eléctrica mediante un proceso de cogeneración.

Asimismo, la producción de fangos es considerablemente inferior en los sistemas anaerobios. En un reactor UASB el afluente se alimenta por la parte inferior.

Éste atraviesa un manto de fango decantado en la base del reactor en sentido ascendente y accede a la zona donde se lleva a cabo la digestión. Por la parte superior se retira el efluente tratado y el biogás generado. Este tipo de reactores son muy compactos, ocupan poco espacio, presentan bajos costes de operación y consiguen muy buenos porcentajes de eliminación de DBO (superiores al 95%).

Otra alternativa, más innovadora y que aporta también muy buenos resultados a escala laboratorio y piloto, es la electrocoagulación. Los estudios realizados hasta el momento demuestran que se pueden conseguir muy buenos resultados de eliminación de materia orgánica a unos costes de explotación mucho más bajos que mediante las tecnologías convencionales.

RESUMEN

El sector de la industria láctea es uno de los básicos y más importantes para la alimentación humana. A efectos medioambientales, el consumo de agua es elevado y los tratamientos de los efluentes generados son complejos, especialmente por su elevado contenido en grasas, DQO y nitrógeno; sin embargo, las buenas prácticas en las fábricas y la utilización de tecnologías como el tratamiento biológico anaerobio con generación de biogás, la ultrafiltración y el secado de fangos con evaporación, permiten optimizarlas.

Bibliografía e información obtenida en Internet

http://www.fao.org/dairy-production-products/socio-economics/social-and-gender-issues/es/

https://www.consalud.es/estetic/nutricion/la-leche-beneficiosa-o-perjudicial_51457_102.html

Tratamiento de efluentes con boro

Secciones

Introducción

El boro es un metaloide que se combina fácilmente en distintas formas debido a tener tres electrones libres en el último orbital, que le dan un carácter muy reactivo. Los compuestos de boro (del árabe buraq y este del persa burah) se conocen desde hace miles de años. En el antiguo Egipto, la momificación dependía del natrón, un mineral que contenía boratos y otras sales comunes.

En China se usaban ya cristales de bórax hacia el 300 a. C., y en la antigua Roma se utilizaban compuestos de boro en la fabricación de cristal. A partir del siglo VIII los boratos fueron usados en procesos de refinería de oro y plata. 

En 1808 Humphry Davy, Gay-Lussac y L. J. Thenard obtuvieron boro con una pureza aproximada del 50% , aunque ninguno de ellos reconoció la sustancia como un nuevo elemento, cosa que haría Jöns Jacob Berzelius en 1824.

El boro puro fue producido por primera vez por el químico estadounidense W. Weintraub en 1909.

La importancia de los productos del boro se ve reflejada en la gran variedad de aplicaciones que poseen. Los principales usos de los boratos y compuestos de boro son: en la industria de esmaltes y cerámicas (sanitarios, vajillas, cerámicos, azulejos), industria del vidrio, cristales y fibras de vidrio, vidrios Pyrex para utensilios, lámparas y focos, detergentes y blanqueadores, retardadores del fuego, abrasivos, cosméticos, en la preservación de la madera, en capacitares, aleaciones, catálisis, caucho (ignífugo), cemento (disminuye la velocidad de fraguado), combustible (borano para aviones y cohetes), curtiembres (evita putrefacción), farmacia (antiséptico suave), pinturas (fungicida), aplicaciones nucleares, en óptica, etc. Además de estos usos industriales, el boro es uno de los 7 micronutrientes esenciales para las plantas, por lo que la dosificación del boro como fertilizante adquiere suma importancia.

El borofeno es uno de los materiales de moda. Hace unos 5-6 años, el grafeno parecía acaparar el interés mundial a nivel de materiales punteros para el desarrollo tecnológico pero actualmente el borofeno se postula como un gran candidato a quitarle el puesto, sobre todo en materia de nanotecnología.

El boro en la corteza terrestre

La concentración estimada del boro en la corteza terrestre es de 10 ppm, y su masa de 2,4 × 1017 kg.

Actualmente se sabe que el boro es mucho más abundante en rocas sedimentarias (300 ppm) que en rocas ígneas (3ppm), esta diferencia es consecuencia de cuatro características: el boro es sublimable, la no preferencia del boro por las fases fundidas (elemento incompatible), su alta movilidad en la fase acuosa y su fuerte afinidad por minerales arcillosos (elemento litófilo). 

El boro llega a la corteza terrestre a través de diferentes vías, y éstas son la precipitación atmosférica, que contiene pequeñas cantidades de boro en disolución; y el vulcanismo y la actividad geológica análoga, que liberan roca fundida con concentraciones variables de boro.

También hay flujos del océano a la corteza oceánica en forma de sedimentación y diagénesis. Las vías de salida del boro curtical son la erosión y los procesos de subducción de placas. 

El boro tiende a concentrarse en las fases residuales de la parte fundida, los elementos que componen la masa de magma solidifican en función de su punto de fusión y de su compatibilidad con la fase sólida, de esta forma, en los sucesivos estadios de la solidificación, la concentración de los elementos incompatibles (entre ellos el boro) va aumentando en el magma, hasta que finalmente tenemos un líquido formado por elementos incompatibles que acaban solidificándose.

Estos depósitos de elementos incompatibles son los que conocemos por el nombre de pegmatitas. Obedeciendo a este hecho las concentraciones del boro son relativamente bajas en basaltos (6-0,1 ppm) y más altas en rocas más cristalizadas como el granito (85 ppm) aunque también se encuentran altas concentraciones de boro en granitos derivados de rocas sedimentarias ricas en boro. Las pegmatitas pueden contener concentraciones de boro de 1360 ppm. 

Durante el deterioro de rocas submarinas, las rocas ígneas se degradan y forman minerales arcillosos que adsorben boro del agua marina, de esta forma se enriquece en boro la masa de roca. 

Los basaltos de las islas magmáticas tienden a estar enriquecidos en boro; este enriquecimiento se atribuye a la deshidratación de los bloques rocosos subducidos, ricos en boro adsorbido por minerales arcillosos.

Las fracciones ricas en boro toman parte en el proceso de fusión y las rocas volcánicas resultantes (andesitas y dioritas) están consecuentemente enriquecidas en boro. Minerales arcillosos (tales como ilitas, esmectitas y montmorillonitas) incorporan boro del agua tanto por adsorción como en forma de elemento de sustitución en la estructura.

Las rocas sedimentarias de los océanos tienden a contener más boro que las rocas sedimentarias fluviales ya que el agua marina contiene mayor concentración de boro que las aguas continentales.

El boro es adsorbido sólo a temperaturas inferiores a 40 °C, a más altas temperaturas (>150 °C) puede ser liberado del mineral, por ello, durante el metamorfismo de rocas sedimentarias mucho del boro adsorbido es liberado en el agua, y si se incrementa aún más el metamorfismo el boro como elemento sustituyente es también liberado, por lo tanto los sedimentos metamórficos tienden a contener concentraciones de boro ampliamente menores que las equivalentes rocas sedimentarias. 

Los minerales principales en los que encontramos boro son en su mayoría rocas evaporíticas, como el bórax, altamente soluble en agua; la colemanita; la kernita (una forma parcialmente deshidratada del bórax) y la ulexita.

También existen importantes minerales del boro en forma de yacimientos de rocas ígneas, la datolita, el chorlo y la elbanita, estos minerales se clasifican en el grupo de los boratos (sales inorgánicas compuestas por boro y otros iones), exceptuando los dos últimos minerales mencionados, los cuales pertenecen al grupo de las turmalinas, que aparecen especialmente en filones del tipo pegmatítico. 

El boro en la hidrosfera

El boro se encuentra en el agua marina en concentraciones estimadas en 4,6 ppm y en una masa de 5,4 × 1015 kg.

Lo hace como componente de dos moléculas hidratadas; el B(OH)3 trigonal y el B(OH)4- tetraédrico.

La proporción de las dos formas depende del pH del agua de mar y el equilibrio entre las concentraciones de las dos formas se encuentra en pH de 8,7-8,8, en medios más básicos predomina la forma tetraédrica y en medios más ácidos la trigonal.

Debido al gran tiempo de residencia del boro en el agua de mar (25 millones de años), las concentraciones de B(OH)3 y B(OH)4- no varían significativamente en los distintos océanos.

El boro llega a la hidrosfera desde los continentes mediante el ciclo del agua y por procesos de erosión de rocas, y desde la corteza oceánica por circulación hidrotermal, además también procede de la precipitación atmosférica. 

El boro en la atmósfera

La atmósfera contiene unos 2,7 × 108 kg de boro. Este se encuentra en la troposfera en estado gaseoso en un 97%; el 3% restante se encuentra en estado sólido en forma de partículas.

Los tiempos de residencia que se consideran para el boro troposférico en su forma gaseosa son de 19 a 36 días, para el boro particulado son de 2 a 6 días. Debido a estos tiempos de residencia tan bajos las concentraciones de boro son variables en distintos puntos de la atmósfera.

El boro llega a la atmósfera a través de la evaporación del agua marina, entonces puede volver a los océanos o a los continentes por precipitación. 

El boro en las plantas

Para las plantas el boro es un nutriente esencial. Parece tener un papel fundamental en el mantenimiento de la estructura de la pared celular (mediante formación de grupos cis-diol) y de las membranas.

Es un elemento poco móvil en el floema, por ello los síntomas de deficiencia suelen aparecer en las hojas jóvenes y los de toxicidad en las hojas maduras.

Un exceso de boro es perjudicial para algunas plantas poco tolerantes a este elemento, pudiendo actuar en sus nervaduras debilitándolas. En los manzanos y perales la deficiencia de boro se manifiesta en los frutos como una malformación interna. 

Características del boro

Las principales características físicas y químicas del boro son las siguientes:

Nombre, símbolo, númeroBoro, B, 5
Serie químicaMetaloides
Grupo, período, bloque13, 2, p
Masa atómica10,811(7) u
Configuración electrónica[He]2s22p1
Dureza Mohs9,5
Electrones por nivel2, 3
Radio medio85 pm
Electronegatividad2,04 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc)87 pm (radio de Bohr)
Radio covalente82 pm
Estado(s) de oxidación  3 (levemente ácido)
Estado ordinarioSólido (no magnético)
Densidad2460 kg/m3
Punto de fusión2349 K (2076 ℃)
Punto de ebullición4200 K (3927 ℃)

El boro presenta multitud de formas alotrópicas que tienen como elemento estructural común un icosaedro regular. La ordenación de los icosaedros puede ser de dos formas distintas: 

  • Unión de dos icosaedros por dos vértices, mediante enlaces covalentes normales B – B 
  • Unión de tres icosaedros por tres vértices, mediante un enlace de tres centros con dos electrones.

Dentro de estas posibles uniones, en el boro cristalino los icosaedros pueden asociarse de varias maneras para originar los alótropos correspondientes: 

  • Boro tetragonal (T – 50): formado por 50 átomos de boro por celdilla unidad, que son cuatro unidades icosaédricas unidas entre sí por algunos enlaces B – B y de dos boros elementales que actúan como unión tetraédrica entre icosaedros. Posee una densidad de 2,31 g/cm3.
  • Boro romboédrico alfa (R – 12): está formado por láminas de icosaedros unidas paralelamente. Las uniones intralaminares se efectúan por medio de enlaces de tres centros, mientras que las uniones interlaminares se producen mediante enlaces de dos centros. La densidad de este tipo de boro es de 2,46 g/cm3, y presenta un color rojo claro.
  • Boro romboédrico beta (R – 105): formado por doce icosaedros B12 ordenados en forma icosaédrica en torno a una unidad central de B12, es decir, B12(B12)12. Presenta una densidad de 2,35 g/cm3.

Isótopos del boro

En la naturaleza se encuentran dos isótopos de boro, 11B (80,1%) y 10B (19,9%).

Los resultados de sus masas se diferencian en una amplia gama de valores que se definen como la diferencia entre las fracciones 11B y 10B y tradicionalmente expresada en partes por mil, en aguas naturales que van desde -16 hasta 59.

Existen 13 isótopos conocidos de boro, el isótopo de más corta duración es 7B que se descompone a través de emisión de protones y la desintegración alfa.

Tiene una vida media de 3.5×10−22s. El fraccionamiento isotópico del boro es controlado por las reacciones de cambio de los compuestos especiales B(OH)3 y B(OH)4.

Los isótopos de boro también se fraccionan durante la cristalización de minerales, durante los cambios de fase de H2O en sistemas hidrotermales, y durante la alteración hidrotermal de rocas.

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Principales productores mundiales

El boro origina diversos compuestos, desde óxidos simples a estructuras muy complejas de tipo polimérico.

Entre ellos se encuentran los óxidos denominados boratos. Los yacimientos de boratos de importancia comercial se localizan solamente en un reducido número de regiones geográficas en el mundo: Anatolia (Turquía), California y Nevada (suroeste de Estados Unidos), la Puna Sudamericana (sur de Perú, suroeste de Bolivia, norte de Chile y noroeste de Argentina), Inder (Rusia) y Asia Central (China y Rusia).

La Puna Sudamericana posee las terceras reservas mundiales de boratos, después de Turquía y la costa oeste de Estados Unidos. 

Los yacimientos de la Puna Sudamericana producen preferentemente ulexita, tincal, colemanita e hidroboracita. Estos constituyen el mineral útil, de valor comercial, que se encuentra mezclado con otros materiales sin valor que constituyen la ganga, de los cuales debe ser separado.

La ulexita es un borato de sodio y calcio, poco soluble en agua fría, acompañado por ganga constituida por arenas, arcillas, yeso, calcita, todo impregnado en una salmuera compuesta principalmente por cloruros y sulfatos de sodio. Los boratos conocidos como “duros” (tincal, colemanita e hidroboracita) poseen ganga constituida por rocas (calcita, dragonita, arcilla, tobas, tufitas) e impurezas de hierro.

El tincal es un borato de sodio, soluble en agua, propiedad que se utiliza para separarlo de la ganga insoluble, y obtener posteriormente bórax mediante cristalización por enfriamiento. La colemanita es un borato de calcio con cinco moléculas de agua en su estructura y la hidroboracita es un borato de calcio y magnesio con seis moléculas de agua. Ambas tienen como impurezas principales hierro y arsénico.

Impacto del boro en el medio ambiente

Ni el boro ni los boratos son tóxicos para los seres humanos y animales. La DL50 para los animales es de unos 6 g por kg de peso corporal. Las sustancias con LD50 por encima de 2g se considera no tóxico.

La dosis mínima letal para los seres humanos no ha sido establecida, pero un consumo de 4 g/día se reportó sin incidentes, y las dosis clínicas de 20 g de ácido bórico para la terapia por captura de neutrones no causó problemas.

Algunos peces han sobrevivido durante 30 minutos en una solución saturada de ácido bórico y pueden sobrevivir más tiempo en soluciones de bórax. Los boratos son más tóxicos para los insectos que en los mamíferos.

El borano y algunos compuestos gaseosos similares son muy venenosos. No es un elemento que es intrínsecamente venenoso, pero su toxicidad depende de la estructura. 

Los boranos (compuestos de boro de hidrógeno) son tóxicos, así como fácilmente inflamables y requieren cuidados especiales durante su manipulación. El borohidruro de sodio presenta un peligro de incendio debido a su carácter reductor, y la liberación de hidrógeno en contacto con el ácido. Los haluros de boro son corrosivos. ​

El boro en la salud humana

Científicamente no se ha demostrado que el boro sea una sustancia considerada esencial en la dieta humana o que sea un requerimiento dietario en vertebrados e invertebrados, o al menos de la misma importancia que ocupa en los vegetales. 

El cuerpo humano contiene al menos 0.7 mg por kilo de peso de Boro obtenido del consumo de agua y vegetales. Un humano consume en su ingesta diaria unos 0.8 a 2.5 mg de boro por kilo de peso sin que se manifieste algún síntoma por esto.

Dietas forzadas de 5 g al día pueden causar náuseas, diarrea y vómitos; algunos autores sugieren que 20 g al día de boro puede ser mortal en organismos sensibles, pero no se ha comprobado.

Otras bibliografías parecen asociar la aparición de artritis por la ingesta de este elemento y  otras publicaciones estiman que este elemento debe ser considerado a nivel de elemento esencial para el metabolismo de calcio, cobre, magnesio y la fijación de nitrógeno. 

El boro puede ser tóxico para los vegetales, incluso con niveles bajos de concentración. Una concentración de boro inferior a 1 mg/l es esencial para el desarrollo de las plantas. La mayoría de las plantas muestran problemas de toxicidad cuando la concentración de boro excede los 2 mg/l. 

La Organización Mundial de la Salud recomienda una concentración de boro en agua potable inferior a 0.5 mg/l. Los estándares de la UE requieren un nivel de boro inferior a 1 mg/l.

Tratamiento de efluentes con boro

El boro, debido a su naturaleza, no es fácil de eliminar de las matrices acuosas. Las técnicas clásicas de coagulación, sedimentación y aún por osmosis inversa no son satisfactorias.

Algunas experiencias han señalado que la aplicación de sistemas de resinas de intercambio iónico en conjunto con zeolitas y carbón activado son mucho más prometedoras como formas de reducir dicho elemento.

Tabla de tratamientos habituales de efluentes con boro

MétodoConcentración inicial boroEficaciaProcesoAplicación industrialCostes relativos
Precipitación alcalinaAltaBajaDiscontinuoBajaMuy bajos
Adsorción Me(OH)xAltaMuy altaDiscontinuoAltaBajos
Adsorción sobre arcillaAltaMuy altaDiscontinuoMediaBajos
Intercambio iónicoBajaMuy altaContinuo (regeneración)AltaAltos
ExtracciónBajaAltaContinuoBajaAltos
Ósmosis inversaBajaAltaContinuo (limpieza)AltaAltos
ElectrodiálisisBajaAltaContinuoBajaAltos
EvaporaciónAltaAltaContinuoMediaAltos

Las soluciones más utilizadas son: Ósmosis inversa, Intercambio iónico y el tratamiento de los efluentes con Evaporación. 

La desalación por ósmosis inversa

La cantidad de boro en el agua de mar varía de 4 a 5.5 mg/L, proporcional a la salinidad. Proviene principalmente de la descarga de las plantas de tratamiento de agua residuales, en donde se comienza a utilizar jabones y detergentes, así como de los fertilizantes agrícolas.

El boro está presente en el agua como ácido bórico H3BO3 y borato H3BO2-. La especie de boro predominante depende del pH del agua.

El valor pKa de H3BO3/H3BO2- es 9.2, por lo tanto, el equilibrio Está normalmente desplazado a la izquierda, ya que el valor de pH estándar del agua de mar es 8.

  H3BO3 => H3BO2+ H

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Las membranas de ósmosis inversa son muy eficientes en la eliminación de especies cargadas como el ion borato, en lugar de moléculas neutras como el ácido bórico.

Las tasas típicas de eliminación de boro a pH 8 son entre 73 y 90% para membranas estándar de ósmosis inversa de agua de mar de alto rechazo, dependiendo de la temperatura del agua. Algunas membranas especiales de alta eliminación de boro pueden alcanzar valores de hasta 95%.

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Normalmente el agua de mar de alta salinidad tiene alto contenido en boro y se encuentran en áreas con clima muy cálido, como el Golfo Persa, el Mar Rojo, el Mar Mediterráneo oriental y el Mar Caribe.

A 30 °C, la eliminación de boro se reduce al 78%, dejando 1.15 mg/l en la corriente de permeado del Paso-1. Por lo tanto, es necesario un proceso específico de eliminación de boro para alcanzar los 0.5 mg/l exigidos por la OMS.

Eliminación del boro del agua desalinizada

Existen dos procesos principales para producir agua potable con menos de 0.5 mg/L de boro, dependiendo de la salinidad del agua, la concentración de boro y la temperatura.

Proceso A: SWRO de 2 pasos:

En el paso-2 de ósmosis inversa se añade sosa caustica para subir el pH a 9.5. Parte del permeado del paso-1 puede ser bypaseado para mantener cierta cantidad de minerales en el agua. El segundo paso puede estar compuesto por membranas de agua de mar de baja energía si la temperatura y salinidad son elevadas o membranas de alto rechazo de agua salobre en caso de condiciones menos severas.

Proceso B: SWRO+ IX:

Se añade una resina de intercambio iónico con o sin bypass, dependiendo de la concentración de boro residual necesaria. La resina, que debe ser selectiva para el cloro, se regenera in-situ con sosa caustica y ácido clorhídrico. Para que la producción sea de forma continua, es necesario un sistema de doble columna.

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El sistema de tratamiento de eliminación de boro por ion selectivo permite eliminar de cualquier agua, el exceso de este elemento, que, en determinados cultivos (fundamentalmente frutales de hueso o de pepita), su alta concentración puede llegar a ser tóxica o dañina para la plantación.

Esta toxicidad puede tener mayor incidencia, cuando se utilizan aguas residuales para el riego, o subterráneas contaminadas por estas últimas.

El influente atraviesa la resina de intercambio iónico, especialmente diseñada para la eliminación del boro en soluciones acuosas, con lo que a la salida se obtiene un agua con una reducción de boro del 90%.

La capacidad de intercambio está limitada y cuando la resina ha llegado a su agotamiento se efectúa su regeneración.

La regeneración de las resinas está totalmente automatizada y se efectúa mediante el paso de una determinada concentración de ácido a través del lecho de resinas, eliminando de estas el boro retenido, posibilitando el almacenaje de la solución acuosa de la regeneración, de forma que se pueda gestionar como residuo posteriormente.

Los efluentes ricos en boro procedentes de las resinas o membranas de osmosis inversa se pueden concentrar hasta valores que permitan su recuperación, mediante técnicas de evaporación a vacío. Condorchem – Envitech tiene capacidad para ofrecer soluciones integrales para esta aplicación.

Resumen

El boro es un elemento químico muy reactivo que aparece en la naturaleza combinado en diversas formas. Tiene múltiples aplicaciones industriales y un futuro importante en base a la aparición del borofeno, como sucesor del grafeno, cuyas propiedades lo hacen firme candidato para aplicaciones nanotecnológicas.

Pese a ser necesario para la vida de las plantas, y ser bien tolerado por los seres humanos y los animales, existen límites que no deben superarse para que no resulte nocivo.

Una de las soluciones técnicas que se viene utilizando desde hace muchos años para combatir la sequía, es la desalación por ósmosis inversa, pero el concentrado es rico en este elemento y además el agua desalada se suele quedar por encima de las 0,5 ppm establecidas como límite máximo por la OMS, lo que requiere de tratameintos complementarios que separan más boro.

Así las opciones consisten en hacer pasar el permeado por un segundo paso de ósmosis inversa, o bien por un lecho de resinas específicas. En el caso de las resinas se elimina la práctica totalidad del boro presente.

En ambos casos queda un concentrado que podrá ser recuperado previa concentración en un sistema de evaporación a vacío, en que Condorchem, – Envitec tiene probada experiencia.

Referencias bibliográficas y en Internet

https://agricultura-espanol.borax.com/resources/agronomy-notes/boron-in-plant-nutrition/boron-in-flowering-fruit-nut-seed-formation

http://oa.upm.es/155/1/05200006.pdf

https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/13838/1/Tesis_Chillon.pdfçç

Vertido cero mediante evaporación al vacío más ósmosis inversa de última generación

Secciones

INTRODUCCIÓN

Durante la segunda parte del siglo pasado, la ósmosis inversa se impuso como técnica para desalación del agua, tanto para potabilizarla como para usos industriales:

En un principio, las membranas de ósmosis inversa eran muy sensibles al ensuciamiento, y se hidrolizaban ( membranas de acetato de celulosa), posteriormente , con las membranas de poliamida se hizo un avance importante al trabajar a presiones más bajas y obtenerse mejores calidades de agua, pero, aun así, las conversiones obtenibles difícilmente superaban el 75 % en un solo paso, y trabajando en dos pasos era arriesgado superar el 85 %, debido a los problemas de polarización y precipitación de sales.

Desde entonces, se ha investigado en factores como la polaridad, los materiales, tipos y disposición de los separadores y las colas utilizadas como adhesivos, de tal forma, que se han conseguido membranas resistentes al ensuciamiento (fouling), operables a elevadas temperaturas, y a valores extremos de pH y moderada concentración de oxidantes.

Recientemente, se han desarrollado varios tipos de membranas que además de resistir más a los cambios de pH, y presentar una mayor resistencia al ensuciamiento, pueden trabajar a presiones muy altas, lo que permite operar con concentraciones salinas muy elevadas.

Existen factores como la fuerza iónica de las disoluciones y la necesidad de tiempo de permanencia para la generación de gérmenes de precipitación y cristalización de las sales, que ha permitido llegar hasta rendimientos de permeado superiores al 95 %, dependiendo de la salinidad y del tipo de agua a tratar.

OBJETIVO: EL VERTIDO CERO

Los rechazos de las plantas de ósmosis inversa siempre han representado un problema por su elevada salinidad, y se hace difícil poderlos verter. Únicamente los puntos cercanos al mar disponen de este posible destino para su vertido, y dentro de un marco regulador exigente.

Así, la mejor opción desde el punto de vista medioambiental es el vertido cero, no obstante y aunque se podía reducir el volumen de efluente hasta un 15 % del agua bruta ( conversión 85%), el caudal resultante seguía siendo elevado como para pensar en un proceso evaporativo, por su importante coste de instalación y de energía; además, en muchos casos se requiere ir a varias etapas de evaporación para llevar a unas concentraciones que hagan que el concentrado se puede considerar como un residuo exportable a vertedero ( Concentración > 30%)

La búsqueda de las mejores tecnologías disponibles ha permitido el desarrollo de las membranas de ósmosis inversa (p.ej. membranas Fortilife), y hace sensiblemente y más viable el aproximamiento al ideal vertido cero, ya resulta un caudal de concentrado del orden del 5 % del de aporte.

Con un factor de concentración sensiblemente más elevado (Fc >20). En estas condiciones, se hacen más factibles, tanto técnica como económicamente, los sistemas de reducción de volumen y aumento de concentración de los efluentes residuales hasta el punto de hacerlos sólidos, lo que se consigue con técnicas de evaporación a vacío con bajo consumo energético, en las que Condorchem Envitech tiene probada experiencia.

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CARACTERÍSTICAS DE LAS MEMBRANAS FORTILIFE

Se está haciendo un esfuerzo en la diversificación del tipo de membranas de ósmosis inversa a utilizar, dependiendo de la aplicación a que se destinan. A continuación, se exponen las características básicas de las membranas del tipo Fortilife:

Membranas CR 100

Es un tipo de membranas pensada para aguas con restos orgánicos y contenido en solidos en suspensión relativamente altos, como por ejemplo tratamientos terciarios de depuradoras de aguas residuales, o para aguas superficiales (ríos, pantanos, lagos) con un elevado SDI por su contenido coloidal y cargas orgánicas en suspensión.

Estas membranas se ensucian menos que las convencionales (aprox. 50%), por lo que su frecuencia de lavado también es menor, y se recuperan mejor con las limpiezas, según se observa en las tablas siguientes:

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Las membranas CR 100, no están pensadas para trabajar con salinidades altas (TDS < 15 g/l), pues no soportan más de 41 bar de presión, y tienen un buen rechazo de sales, por lo que son idóneas para utilizar en el primer paso de la línea de tratamiento.

Membranas XC 70 / XC 80

Estas membranas, además de ser resistentes al ensuciamiento, y tener un elevado rechazo de sales, pueden soportar presiones de hasta 83 bar, por lo tanto, pueden trabajar con altas salinidades (< 80 g/l) y son adecuadas para estar dispuestas en un segundo o tercer paso del conjunto de membranas.

Membranas XC-N

Son membranas de tipo selectivo que permiten operar hasta 41 bar de presión, con un rechazo de sales del 99%. Presentan bajo ensuciamiento y bajo coste de energía.

Vendría a poderse considerar como una membrana de nanofiltración de alta presión y con las ventajas del tipo Fortilife.

Membranas UHP

Por último, las membranas de Ultra Alta presión (UHP), se utilizan para trabajar en el estadio final de concentración. Pudiendo llegar a presiones de hasta 120 bar y concentraciones muy elevadas (aprox. 120 g/l)

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En la siguiente tabla, se ponen en común las características básicas de cada tipo de membrana para poderlas comparar.

Cuadro membranas Fortilife

ProductoCaracterísticasEspecificacionesVentajas
CR 100Alta resistencia al biofouling.

Alto rechazo de sales.

Baja salinidad (< 15 g/l).

Caudal permeado= 44 m3/d.

Rechazo sales = 99.7%

Presión. Máx, aporte = 41 bar

Se reducen las limpiezas.

Ensuciamiento por biofouling < 50%.

XC 70Resistencia al fouling.

Alta salinidad (15 – 70 g/l)

Caudal permeado= 30,6 m3/d.

Rechazo sales= 99,7%

Presión máx. aporte = 83 bar

Se reducen limpiezas.

Mayor tiempo en funcionamiento.

Vida más larga elementos.

XC 80Resistencia al fouling.

Bajo consumo energía.

Alta salinidad (15 – 80 g/l)

Caudal permeado= 34,2 m3/d.

Rechazo de sales= 99,4%

Presión máx. aporte= 83 bar

Reduce coste energía.

Se incrementa conversión.

Se reduce frecuencia de limpiezas.

XC-NSeparación selectiva de iones.

Recirculación del concentrado purificado.

Caudal permeado= 34,1 m3/d.

Rechazo de sales= 99%.

Presión máx. aporte= 41 bar.

Hace el rechazo reutilizable.

Se reduce el ensuciamiento.

Bajo coste de energía.

UHPMáxima concentración sales por membranasCaudal permeado= 28 m3/d.

Rechazo de sales= 99,7%

Presión máx. aporte= 120 bar

Aplicable para tratamiento de aguas de muy altas salinidades , para la obtención de vertido cero 

Para conseguir un diseño optimizado, se propone la combinación de estas membranas en distintas etapas, con el objetivo de simplificar la complejidad de la instalación y reducir al mínimo el tamaño de la instalación de evaporación final.

Así, por ejemplo, si tenemos una instalación de osmosis inversa convencional en dos pasos, y obtenemos una conversión del 85 %, resultará un factor de concentración FC = 1/(1-0.85) = 6,7.

Si partimos de agua con un TDS de 2 g/l, tendríamos que el concentrado tendría un TDS de aproximadamente 13,4 g/l; si el caudal de aportación es ,por ejemplo, de 100 m3/h, deberemos diseñar un evaporador para un caudal de 15 m3/h con un TDS de 13,4 g/l.

Para poder llegar a una concentración de 300 g/l en el residuo, se deberá evaporar en varias etapas, con el coste de inversión y de energía que ello representa.

Supongamos ahora que hemos dispuesto membranas de baja presión y alto rendimiento (CR 100) en un primer paso, luego disponemos membranas XC70/XC80 en un segundo paso, para poder trabajar a alta presión y conversión, y finalmente, disponemos membranas del ultra alta presión (UHP), previo paso por una purificación en el rechazo mediante otras del tipo XC-N.

En este caso, podemos obtener una concentración de sales de aproximadamente, 100 a 150 g/l en un caudal de 1,5 – 2 m3/h, lo que hace mucho más viable su concentración el proceso de evaporación a vacío.

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EJEMPLO PRÁCTICO

Partimos del rechazo de una planta de ósmosis inversa que toma un caudal de agua bruta de 830 m3/h de un pantano, con un TDS de 1.160 mg/l.

Podemos utilizar membranas CR100, que, por su bajo ensuciamiento, y buenas prestaciones a nivel de rechazo de sales, nos simplificarán la instalación de intercambio iónico que se deberá utilizar para tratar el permeado y alcanzar así nos niveles de salinidad exigidos en la aplicación de este ejemplo (agua desmineralizada para el sector energético).

Demás, en la especificación se pide la obtención de un caudal de 120 m3/h de agua para servicios que deberá tener un TDS <100 mg/l, y es importante la consecución del vertido cero.

En la siguiente proyección, se parte del rechazo obtenido de la planta de ósmosis inversa con membranas del tipo CR 100, y se observa cómo se combinan las membranas entre sí a fin de optimizar el conjunto, utilizando para ello sistemas búster de bombeo, contrapresiones en el permeado y recirculaciones.

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En este caso, la conversión alcanzada es del 89 % y el FC = 9. El caudal de rechazo final sería de 13,7 m3/h y su TDS= 70,8 g/l.

Si calculamos el porcentaje de rechazo sobre el caudal de agua bruta, tenemos = 13,7/830 = 1,65 %, luego la conversión del sistema sería de aproximadamente un 97 – 98 %, pensando en que se consume agua en pretratamiento, lavados … etc.

El TDS del permeado es de 53 mg/l y el consumo energético específico de 2 kW/m3, luego se consigue la calidad deseada para agua de servicios, con un consumo energético adecuado.

Si tomamos el rechazo de este paso y lo sometemos de nuevo a su concentración mediante unas membranas específicas como las UHP, obtenemos una conversión del 50%, que se traduce en un caudal del permeado de unos 6 m3/h y una salinidad de 83 mg/l, mientras que el rechazo tendrá un caudal equivalente y una concentración de 140 g/l.

Convendrá disponer dos líneas de osmosis inversa en paralelo en este paso, a fin de evitar la cristalización de las sales. En este último paso será recomendable trabajar en régimen discontinuo y, cada vez que se pare la instalación, se deberá realizar un enjuague de las membranas y recircular el efluente a cabeza de la instalación.

Vemos que la solución de evaporación a vacío ahora resultaría más adecuada, técnica y económicamente, pues, muy probablemente, se llegará al deseado nivel de concentración exigido en los residuos del 30 %, con un coste de inversión y explotación proporcionado.

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Condorchem Envitech dispone de una amplia gama de evaporadores y cristalizadores, alimentados por energía eléctrica o térmica. a

En el ejemplo que nos ocupa, es muy probable que exista un retorno de condensados de sus instalaciones, que se puede utilizar para aportar su energía mediante un cambiador de calor; en este caso, un equipo que podría ser aplicable sería de la serie Envidest MVR FF, seguido de un cristalizador.

El caudal de permeado y condesado obtenidos estará muy cerca de los 120 m3/h que se piden para agua de servicios y la salinidad será inferior a los 100 mg/l.

RESUMEN

La evolución tecnología en los tratamientos de aguas está permitiendo alcanzar el objetivo de mínimas emisiones al medio ambiente. Muchos de los efluentes que hasta hace poco de desechaban, o cuyo tratamiento tenía un coste inviable, cada vez se hace más accesible, a la vez que se reutiliza gran parte del agua captada y se reduce el consumo energético.

En este artículo se pone de manifiesto el importante paso que se ha dado en lo relativo a la desalación por ósmosis inversa con su última generación de membranas y su  posible simbiosis con la variedad y especialidad de tratamientos evaporativos que se pueden combinar para obtener el mejor resultado.

Bibliografía y consultas en Internet.

https://www.dupont.com/brands/filmtec-fortilife.html

http://www.catedradelagua.uji.es/webcta/wp-content/uploads/2018/02/13_Ponencia_SGallego.pdf