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Ingeniería ambiental

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

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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Cómo tratar aguas residuales industriales

industrial wastewaterAnte el inicio de la generación de aguas residuales por parte de una empresa, se debe plantear la conveniencia de una correcta gestión ambiental mediante la adopción de unas políticas ambientales adecuadas, lo que supone fomentar el desarrollo sostenible de la empresa, practicar una conducta seria y responsable en relación a la gestión ambiental, así como implantar la máxima prevención en materia ambiental.

La correcta gestión de las aguas residuales supone numerosas ventajas para la empresa de carácter ambiental, económico, fiscal y de imagen pública:

 

  • Una gestión correcta de las aguas demuestra el interés de la empresa por el medio ambiente y ya es un valor por sí sólo. Además de ser un requisito, no único pero sí necesario, para la implantación de un sistema de gestión medioambiental certificado tipo ISO 14001 o EMAS.
  • El cumplimiento de la normativa vigente local, regional y estatal en materia de vertido de aguas residuales supone un importante ahorro económico en sanciones impuestas por la Administración. En general, las sanciones económicas están calculadas para que de ningún modo salga más rentable liquidar las sanciones que hacer las cosas correctamente desde el primer momento. Es por ello que tratar adecuadamente las aguas residuales es habitualmente la opción más económica. Cabe también destacar que si el incumplimiento de la normativa es tipificado por la administración como muy grave, incluso puede darse el extremo de que se clausure el vertido, obviando las consecuencias que pueda tener para la actividad de la empresa esta medida.
  • El hecho de verter las aguas residuales con un nivel de contaminación bajo supone la reducción de los impuestos que gravan la contaminación vertida (canon de vertido), que dependen del volumen y de la carga contaminante de las aguas residuales evacuadas. Si el caudal es elevado, el ahorro económico que supone reducir el canon de vertido es considerable.

Para tratar adecuadamente las aguas residuales, el primer paso consiste en conocer las características del efluente o de los efluentes que se han de verter. Es necesario realizar una caracterización de las aguas residuales mediante una campaña de análisis. Aunque esta caracterización suponga un coste económico, su realización es clave para garantizar el éxito del diseño y funcionamiento de las futuras instalaciones encargadas de tratar el agua. La campaña de muestreo y análisis debe ser diseñada y ejecutada por un profesional, que determinará de qué efluente y cuándo se deben coger las muestras, las cuales podrán ser simples o integradas. El objetivo es conseguir que las muestras analizadas sean representativas y el conjunto de análisis aporte información de qué vierte la empresa, cómo lo vierte y cuándo lo vierte.

A continuación se debe analizar la normativa local, regional y estatal que pueda regular y limitar el vertido. En función de las características del vertido y de lo recogido en la normativa se establecerá el objetivo a cumplir por las instalaciones de tratamiento de las aguas que se deberán diseñar.

La importancia de la campaña de caracterización reside en el hecho de que si ésta no es efectiva, el diseño de las instalaciones no será el óptimo y muy probablemente las aguas residuales no resulten adecuadamente tratadas.

Las instalaciones que albergarán los diferentes procesos de tratamiento de las aguas residuales deberán ser diseñadas por una empresa especializada, que disponga de profesionales experimentados y que sea experta en numerosas y variadas técnicas de tratamiento de aguas residuales. Sin duda, la mejor opción para el cliente que no conoce los entresijos del tratamiento de aguas residuales, es contratar el diseño, construcción y entrega llaves en mano de las instalaciones de depuración a una empresa especializada.

Una vez las instalaciones de tratamiento estén construidas y funcionando correctamente, es momento de tramitar ante la administración competente el permiso de vertido. Éste es preceptivo y en sí mismo es uno de los objetivos que justifica toda la inversión realizada.

También debe tenerse en cuenta que se puede dar el caso de que, para reducir al máximo los impuestos, sea económicamente interesante diseñar los procesos de tratamiento no sólo para cumplir los límites de vertido, sino para reducir al máximo la carga contaminante vertida. Así, de este modo, se reducen considerablemente los impuestos ambientales, como es el caso del canon de vertido, que en la mayoría de lugares existe con uno u otro nombre. Reducir la contaminación vertida por encima de lo que obliga la legislación genera unos costes de explotación mayores, pero cuando el caudal es elevado, se compensan sobradamente con la reducción de impuestos. Se debe evaluar esta posibilidad caso a caso.

Finalmente, el hecho de gestionar correctamente las aguas residuales permite poder optar a obtener un certificado de gestión ambiental del tipo ISO 14001 o EMAS, el cual siempre es valorado muy positivamente en un mercado globalizado donde al medio ambiente cada vez se le concede mayor importancia.

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

Factor separacion membranas
Fuente: Caracterización estructural y superficial de membranas microporosas, Laura Palacio Martínez, 1999 – Universidad de Valladolid

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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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Tratamiento de aguas residuales mediante evaporadores al vacío

evaporador al vacío triple efectoLa técnica de la concentración-evaporación se caracteriza por transformar un efluente líquido en dos corrientes, una de agua de alta calidad y otra, consistente en un residuo concentrado. El agua obtenida tiene una calidad suficiente para ser reutilizada, mientras que el residuo puede ser concentrado incluso llegando casi a la sequedad total. Al concentrar el residuo a estos niveles se disminuyen notablemente los costes de gestión de residuos.

Para conseguir evaporar el agua sin que los costes energéticos se disparen, la evaporación no se lleva a cabo a presión atmosférica, sino al vacío. Así se ahorra energía. A medida que disminuye la presión, la temperatura a la que el agua hierve, también se reduce. Por ejemplo, si a la altura del nivel del mar (presión 760 mm Hg) el agua hierve a 100 ºC, en la cima del Aneto (3.404 m sobre el nivel del mar, presión atmosférica entorno a los 500 mm Hg) la temperatura de ebullición del agua es de 88 ºC; y en la cima del Everest (8.848 m, 225 mm Hg) el agua hierve a 68 ºC. Así pues, si en el interior del evaporador se reduce la presión sustancialmente, el agua hierve a temperatura casi ambiental: operando a 40 mm Hg de presión absoluta, el agua se evapora a 34 ºC. A la práctica, como el líquido que hierve no es agua pura, la temperatura de ebullición es ligeramente superior.

Los evaporadores al vacío son una solución competitiva y eficiente para tratar aguas residuales que con los métodos más convencionales (tratamientos físico-químicos y biológicos) no se consiguen resultados aceptables. Esto sucede fundamentalmente cuando el efluente contiene una concentración de sales muy elevada, compuestos no biodegradables, sustancias tóxicas para los microorganismos, metales, etc. Estos efluentes son producidos en la industria por servicios generales: purgas de calderas, efluentes de regeneración de resinas de intercambio iónico, rechazos de procesos de ósmosis inversa, fangos de tratamiento de agua de proceso, purgas de torres de refrigeración, etc., así como efluentes específicos de la industria alimentaria (tratamiento de salmueras), la industria galvánica (baños agotados, aguas de lavado y de tratamiento de superficies), las industrias química, farmacéutica y cosmética (aguas de lavado de tanques y reactores, etc.), la industria de fabricación de pinturas (lavado de reactores), la industria del automóvil y del metal en general (emulsiones aceitosas, desengrasantes, taladrinas, líquidos penetrantes), de artes gráfica (tratamiento y concentración de tintas y aguas de lavado de rodillos), gestores de residuos (lixiviados de vertederos, aguas de elevada conductividad, etc.), residuos sanitarios, etc. La evaporación no sólo se utiliza para el tratamiento de efluentes, sino que en la industria alimentaria se utiliza extensamente para concentrar todo tipo de sustancias sensibles al calor (concentración de zumos, fabricación de leche condensada, eliminación del alcohol para obtener cerveza sin alcohol, etc.).

Los equipos necesarios para llevar a cabo el proceso de evaporación-concentración al vacío se podrían clasificar dentro de tres grandes tipos, en función del procedimiento para calentar el efluente hasta la temperatura de proceso:

• Evaporador al vacío por bomba de calor: mediante la compresión de un gas refrigerante, se cede calor al líquido a evaporar mediante un intercambio de calor. A continuación, un condensador que enfría el líquido evaporado, por medio de una válvula termostática, provoca que se expansione el gas refrigerante de nuevo, el cual circula en un circuito cerrado. Al estar el equipo operando en condiciones de vacío, es posible evaporar a temperaturas que están alrededor de los 40 ºC, hecho que hace que no sea necesario ningún otro aporte de calor ni de frío. Esto hace que se trate de un proceso económicamente atractivo.

• Evaporador al vacío por compresión mecánica del vapor: el destilado se comprime mecánicamente para incrementar su temperatura y obtener así vapor sobrecalentado, el cual, mediante un intercambiador de calor, cederá su energía para calentar el líquido a evaporar mientras el propio vapor condensa. Así, se consigue ahorrar, por un lado, energía para calentar el líquido a evaporar y, por otro, una fuente de refrigeración para la condensación.

• Evaporador al vacío de múltiple efecto: consiste en la conexión de varios evaporadores conectados en cascada. En el primero de ellos se utiliza agua caliente o vapor fresco para calentar el líquido a evaporar. El destilado que se genera en el primer evaporador sirve como agente de calefacción en el segundo evaporador. Y así sucesivamente, el vapor generado en el segundo evaporador se utiliza para calentar el líquido del tercer evaporador. Es una opción muy competitiva cuando el caudal a tratar es elevado, porque el ahorro en calefacción es significativo en relación a un evaporador de simple efecto.

Las ventajas de la evaporación-concentración para el tratamiento de aguas residuales y efluentes líquidos son diversas y muy importantes. La primera, que se trata de una técnica eficiente en el tratamiento de aguas que presentan dificultad para ser tratadas mediante técnicas convencionales, las cuales no proporcionan resultados óptimos. En estos casos, la evaporación-concentración al vacío es una técnica eficaz y competitiva. También, hay que tener presente que el agua destilada que se obtiene es de una gran calidad y permite que sea reutilizada dentro del proceso, facilitando implantar una política de vertido cero. Por otro lado, el residuo concentrado, que sufre una importante reducción de peso, hace que los costes de gestión de residuos disminuyan cuantiosamente. Además, por lo general, no es necesario utilizar reactivos químicos, salvo en contadas ocasiones, que se precisa de la dosificación de un antiespumante. Asimismo, los equipos son compactos, prácticos e instrumentalizados, por lo que el seguimiento de su funcionamiento es sencillo, permitiendo llegar a tratar efluentes de hasta 20 m3/h en un solo evaporador. Finalmente, también se debe tener en cuenta que al no haber de calentar el efluente hasta elevadas temperaturas, ya que al trabajar al vacío el agua hierve a 35-40 ºC (en función de la presión de operación), los requerimientos energéticos del evaporador no tienen por qué ser corrientes energéticas de alta calidad y excedentes energéticos de otros procesos serán de utilidad en la mayoría de los casos.

A modo de conclusión, destacar que la evaporación-concentración al vacío es una tecnología novedosa, eficiente y competitiva que permite obtener muy buenos resultados en el tratamiento de aquellos efluentes que mediante otras técnicas es complejo. En muchos casos permite la implantación de políticas de vertido cero, con todas las repercusiones ambientales positivas que esto supone. Además, gracias a la reducción de la cantidad de residuo generado y a la obtención de una corriente de agua de elevada calidad, la recuperación de la inversión económica es relativamente rápida. Y se reduce aún más si se puede utilizar algún excedente energético de algún otro proceso.

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