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Tratamiento de aguas residuales en la industria del vino

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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.

Fundamentos de la evaporación al vacío

Secciones

Definición

La evaporación al vacío es una operación unitaria que consiste en concentrar una disolución mediante la eliminación del solvente por ebullición. En este caso, se lleva a cabo a una presión inferior a la atmosférica. Así, la temperatura de ebullición es sustancialmente inferior a la correspondiente a presión atmosférica, lo que conlleva un gran ahorro energético.

La evaporación al vacío supone un gran avance en el tratamiento de efluentes líquidos, permitiendo de forma eficiente, limpia, segura y compacta tratar efluentes que mediantes técnicas fisicoquímicas o biológicas no es viable.

Algunas de las ventajas y posibilidades que presenta la evaporación al vacío:

  • Reducción drástica del volumen de residuo líquido (lo que supone ahorro en gestión de residuos)
  • Concentración de residuos corrosivos o incrustantes
  • Reutilización del agua recuperada
  • Implementación de sistemas de vertido cero
Evaporador al vacio - Fundamentos de la evaporación al vacío

La evaporación es una operación controlada únicamente por la velocidad de transferencia de calor

Factores de los que depende la velocidad de evaporación

  1. Diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar

    La temperatura de ebullición del líquido a evaporar va aumentando a medida que se va concentrando. No obstante, al operar en condiciones de vacío, la diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar se amplía, ya que la temperatura de ebullición de la mezcla es muy inferior a la correspondiente a presión atmosférica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, mayor será la velocidad de evaporación.

  2. Área de intercambio

    El área de intercambio efectiva depende de la geometría del equipo y de fenómenos inherentes a la concentración de la disolución, como es el caso de la deposición de sólidos o de incrustaciones sobre la superficie de intercambio. A mayor área, mayor capacidad de intercambio de calor y mayor velocidad de evaporación.

  3. Coeficiente global de transferencia de calor (U)

    Este coeficiente depende de las propiedades físicas de los fluidos que intervienen (agente calefactor y líquido a evaporar), del material de la pared en la que se produce el intercambio de calor, del diseño y geometría del equipo, así como de los parámetros de flujo (velocidades de circulación de los fluidos, etc.). Cuanto más grande sea este coeficiente, mayor facilidad tiene el equipo para intercambiar calor.

  4. Propiedades del líquido a evaporar

    La viscosidad, la posibilidad de formación de espumas, su capacidad de corroer, etc. influyen a la práctica en la velocidad de transferencia de calor.

Parámetros

El parámetro clave del diseño de un evaporador es el área de intercambio necesaria para la evaporación. Para calcular esta área, se deben plantear balances de materia y energía. Para el caso de un evaporador en el que se alimenta una corriente F y se extraen dos corrientes, la de concentrado S y la de destilado E, como el de la figura:

Parámetros de la evaporación en vacío

Parámetros en la evaporación al vacío

Se pueden plantar estos balances de materia y energía:

Balance de materia global

F = E + S
V = C

Balance de materia para el soluto

F x F = S x S

Balances de energía:

V HV + F hF = C hC + E HE + S hS
Q = V HV – C hC = V (HV – hC) = U A ΔT

  • Q: caudal de calor transmitido a través de la superficie de calefacción del evaporador.
  • U: el coeficiente global de transferencia de calor.
  • A: el área necesaria para la evaporación
  • ΔT: la diferencia de temperaturas entre el agente calefactor y el líquido a evaporar

Uno de los elementos que establece diferencias importantes de funcionamiento entre los tipos de evaporadores al vacío es la tecnología que utilizan para calentar el efluente a evaporar, aspecto que determina los costes de operación.

Así, podemos encontrar los siguientes:

Tipos de evaporadores

Los evaporadores al vacío permiten tratar una corriente residual acuosa de forma eficiente, sencilla y sin utilización de reactivos. Son altamente eficaces incluso cuando las tecnologías convencionales no son viables. El hecho de trabajar en condiciones de vacío permite reducir la temperatura de ebullición, por lo que se reduce el consumo energético. Además, se puede concentrar un efluente residual tanto como se desee de forma eficiente y sencilla, llegando a obtener un vertido cero si se requiere.

A modo de resumen cabe destacar que la evaporación al vacío permite el tratamiento de efluentes que por su composición, por sus características o por su complejidad de gestión no pueden ser tratados mediante técnicas fisicoquímicas convencionales. Su consumo energético contenido, hace posible reducir severamente el volumen de residuos, recuperar un gran caudal de agua para su reutilización e incluso implantar un sistema de vertido cero con un coste económico realmente asumible. Permiten obtener más de un 95% de agua limpia y una concentración de residuos, que pueden ser reaprovechados o vendidos como materia prima.

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Evaporadores al vacío por bomba de calor

El funcionamiento de este sistema se basa en el ciclo frigorífico de un gas, el cual se encuentra en un circuito cerrado. El gas frigorífico se comprime mediante la acción de un compresor aumentando su presión y temperatura. Circula a través del intercambiador de calor del propio evaporador, calentando el alimento.

Al trabajar al vacío, la temperatura de ebullición es del orden de 40 ºC. El líquido refrigerante abandona el intercambiador del evaporador y, mediante una válvula de expansión, se descomprime y enfría. Al pasar por un segundo intercambiador de calor, el condensador, hace que el vapor formado en el evaporador condense, a la vez que aumenta su temperatura justo antes de volver a pasar por el compresor y repetir así el ciclo.

El mismo fluido refrigerante permite evaporar el alimento así como condensar el vapor generado, por lo que el sistema no precisa de otras fuentes ni de calor ni de refrigeración. Este hecho hace que sea un proceso muy ventajoso desde el punto de vista económico y de gestión. Cuentan, además, con un bajo coste de mantenimiento y están totalmente automatizadas, y aseguran una calidad constante del destilado al proporcionar una separación total de metales y surfactantes. Estos evaporadores también disponen de un sistema de control de espuma.

Es una tecnología es idónea para tratar caudales no elevados de líquidos corrosivos, incrustantes o viscosos. Su funcionamiento puede suponer un consumo de energía de 130-170 kWh por metro cúbico de destilado. Ofrecen a su vez, una importante reducción de la DQO en el destilado y una baja cantidad del concentrado de descarga.

Evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor

Esta tecnología se basa en la recuperación del calor de condensación del destilado como fuente de calor para evaporar el alimento. Para conseguirlo, la temperatura del vapor generado en la evaporación se incrementa comprimiendo éste mecánicamente. Este vapor comprimido, y por tanto sobrecalentado, al pasar por el intercambiador del propio evaporador, consigue un doble objetivo: (1) calienta el líquido a evaporar y (2) condensa, economizando el uso de un fluido refrigerante.

Un evaporador al vacío por compresión mecánica del vapor está diseñado para el tratamiento eficaz de efluentes residuales industriales de los procesos productivos y rechazos de plantas de tratamiento de aguas residuales con un bajo coste energético. Su elevada eficiencia se debe al uso de una soplante rotativa o compresor de vapor, que permite incrementar el calor latente del mismo por la acción mecánica de compresión volumétrica con un pequeño consumo eléctrico del motor que acciona dicho compresor.

Este calor del vapor comprimido será cedido mediante un intercambiador de calor para calentar el efluente a evaporar y consecuentemente permitirá la condensación del vapor para producir el agua destilada. Al trabajar al vacío, generado por la propia soplante rotativa o mediante la ayuda de una bomba de vacío auxiliar, las temperaturas de ebullición y de vapor van desde los 60 ºC hasta los 90ºC.

A continuación, un breve resumen de las 3 categorías principales de evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor:

  • Evaporadores de circulación natural: Se trata de equipos muy competitivos idóneos para aquellos casos en los que se requiere una baja producción de vapor, 10-120 L/h.

    Estos sistemas  funcionan con energía eléctrica y son de fácil uso y mantenimiento. Además, suponen una excelente inversión debido a su combinación de calidad de destilado, alta tecnología y robustez.

  • Evaporadores de película descendente, o falling film: Son evaporadores de última generación, con sistema de limpieza integrado en el equipo y que pueden llegar a producir hasta 4.000 L/h.

    Gracias a su separador de alto rendimiento no generan prácticamente espuma. Además, la división interior en las zonas calientes y frías reduce el desgaste de los equipos de control y regulación.

    Dispone de un sistema de limpieza integrado y automático en el equipo que garantiza su continua disponibilidad. Todos los parámetros de proceso importantes se visualizan en una pantalla tàctil y su diseño, con grandes puertas en ambos lados, facilita su uso y mantenimiento.

    Se trata de una tecnología muy eficiente para la obtención de agua de gran calidad a partir de un efluente con una concentración de contaminantes elevada. Los evaporadores de película descendente utilizan energía térmica, pero al operar en condiciones de vacío la temperatura de ebullición se reduce, por lo que se disminuye también el consumo energético.

  • Evaporadores de circulación forzada: Son los equipos por compresión mecánica del vapor con menor consumo energético y los que permiten tratar los mayores caudales (hasta 20.000 L/h).

    Estan especialmente indicados cuando el caudal a tratar acostumbra a ser complejo: sustancias incrustantes, viscosidades, cristalizaciones, aguas salinas (o salmueras), aguas aceitosas, aguas de baños de trabajo, rechazos de ósmosis inversa u otros elementos que impiden llevar a cabo una circulación natural.

    La evaporación al vacío es una tecnología que permite el tratamiento de efluentes complejos que habitualmente son enviados a un gestor externo

    El siguiente vídeo muestra con gran detalle el funcionamiento de un modelo de evaporador al vacío por circulación forzada (Envidest MVR FC), diseñado y fabricado por Condorchem Envitech. Se trata de un sistema eficaz para el tratamiento de una gran diversidad de aguas residuales. Es capaz de producir hasta 2.000 litros/hora de destilado (agua tratada).

    El tanque de la caldera del evaporador se llena al ponerse en marcha la bomba de vacío desde el panel de control principal. Debido a que el sistema esté bajo vacío, permite generar valores cercanos a los 600 milibares (mb) (0.6bar). Una vez que el depósito de la caldera está lleno, se activa la bomba de recirculación y las resistencias eléctricas empiezan a trabajar para alcanzar una temperatura de funcionamiento de 600C (1400F).

    Cuando se alcanza la temperatura de trabajo, las resistencias eléctricas se detienen y debido al vacío del sistema, se alcanzan valores cercanos a los 240 MB (2.4bar) en el depósito de la caldera del evaporador. A partir de este momento el agua residual empieza a evaporarse y la bomba root se activa. Ésta toma el agua residual evaporada desde el depósito de la caldera y la comprime mediante la elevación de la temperatura y la presión de vapor. Luego transfiere el agua residual tratada al intercambiador de placas. En el intercambiador de calor de placas encontramos el agua residual entrante en un lado y en el otro el vapor del agua residual ya tratada.

    Debido a la diferencia de temperatura entre los dos lados de las placas, el agua residual entrante más fría se calienta y el vapor de agua residual pierde calor, volviendo de nuevo a su estado líquido. Este líquido, denominado destilado, sale del intercambiador de calor y se recoge en un depósito de destilado.

    El agua residual entrante, que ahora se ha beneficiado de la transferencia de calor en el intercambiador de calor de placas, fluye hacia el tanque de la caldera del evaporador inicial. A medida que el nivel en el depósito inicial de la caldera va bajando, una válvula de alimentación de entrada se abre para permitir de forma automática la entrada de más agua residual. El destilado que se ha acumulado en el depósito de destilado se descarga a través de una bomba centrífuga. Éste pasa a través de un segundo intercambiador de calor de placas. En el lado contrario de las placas está el agua residual entrante.

    Este intercambiador de calor adicional aumenta aún más la eficiencia del sistema mediante el aumento de la temperatura de las aguas residuales a tratar. También ayuda a enfriar aún más el destilado de la descarga. A medida que el sistema continúa tratando las aguas residuales, aumenta el nivel de concentrado en el depósito de la caldera del evaporador. Dicho depósito se configura de forma que vaya llevando a cabo descargas parciales programadas del concentrado, el cual será devuelto al depósito de suministro de aguas residuales.

Evaporadores al vacío de múltiple efecto

Esta tecnología consiste en un conjunto de evaporadores conectados entre sí en serie en el que el vacío aumenta progresivamente del primero al último. Esto hace que la temperatura de ebullición, en principio, vaya disminuyendo, por lo que es posible utilizar el vapor generado en un evaporador (o efecto) como fluido calefactor del siguiente efecto, produciéndose un efecto cascada. Finalmente, el destilado se condensa mediante una torre de refrigeración, con un consumo de agua poco significativo.

Usan como fuente de energía agua caliente o vapor procedente de un circuito externo, lo cual permite aprovechar flujos residuales sobrantes de calor.

Habitualmente son unidades compuestas por 1 (evaporador simple efecto), 2 (evaporador doble efecto) o 3 (evaporador triple efecto) etapas.

Su principal ventaja respecto a un único evaporador reside en el ahorro tanto de fluido calefactor como de fluido refrigerante. Para tratar caudales elevados, ésta es una de las opciones más competitivas a nivel económico.

El siguiente video presenta una planta de tratamiento de aguas residuales industriales que opera con un evaporador al vacío de múltiple efecto de tres etapas.


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Caracterización del agua residual

Caracterización de aguas residualesCuando se requiere tratar un importante caudal de aguas residuales, la primera alternativa que generalmente conviene considerar es la utilización de un proceso biológico, puesto que es uno de los tratamientos completos más económicos y la cantidad de residuos que se generan es relativamente baja. No obstante, será decisivo conocer la naturaleza de la contaminación presente en el agua para evaluar la idoneidad de un tratamiento u otro, puesto que éstos son muy selectivos en cuanto al tipo de contaminación que eliminan.

Para conocer el tipo de contaminación es necesario llevar a cabo una caracterización del agua residual, la cual proporciona una amplia variedad de información sobre el tipo y la concentración de los contaminantes. Los parámetros que deberán ser analizados, a parte de los generales como pH y conductividad, serán los que den idea del contenido de materia orgánica, nutrientes (nitrógeno y fósforo), sólidos en suspensión, alguno relacionado con la toxicidad de las aguas residuales en relación a los microorganismos, además de los más específicos y relacionados con el tipo de actividad que genera el efluente (metales, tensioactivos, sulfatos, cianuros, etc.).

Para conocer la cantidad de materia orgánica que los microorganismos son capaces de asimilar, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) ha sido un parámetro muy utilizado a la hora de caracterizar las aguas residuales, aunque es poco preciso (la aclimatación de los microorganismos al agua residual influye en la medida), de determinación lenta (se requieren al menos 5 días para realizar la medida) y no es práctico para su utilización en la gestión de las plantas de tratamiento. En contrapartida, la demanda química de oxígeno (DQO) es un parámetro preciso, de rápida obtención, que mide toda la materia orgánica del agua (la biodegradable y la no biodegradable), por lo que es el mayormente empleado. Pero, precisamente porque mide toda la materia orgánica, a la hora de conocer mejor el efluente que se desea tratar, es una información necesaria pero no suficiente. Para realizar una caracterización completa y profunda del efluente, junto a los parámetros citados, se deberá llevar a cabo un fraccionamiento de la DQO, que aportará información del efluente en términos de las diferentes velocidades de degradación de las distintas fracciones de DQO.

Las fracciones de la DQO con las que se acostumbra trabajar son las mismas que emplean los modelos de lodos activados de la International Association of Water Quality (IAWQ) y son las siguientes:

  • DQO fácilmente biodegradable (DQOfb). Esta fracción, que se asimila a la DQO soluble en el agua, es la que la biomasa consume más rápidamente (en pocos minutos), generando una rápida y elevada demanda de oxígeno. Los compuestos que conforman esta fracción son sustancias solubles, de bajo peso molecular, como es el caso de los azúcares, alcoholes y ácidos grasos.
  • DQO lentamente biodegradable (DQOlb). Esta fracción se relaciona con la DQO biodegradable no soluble, o particulada, y habitualmente es la fracción biodegradable mayoritaria. Está formada por moléculas solubles de elevado peso molecular, sustancias coloidales y partículas sólidas. Todas ellas tienen en común que no son de fácil degradación por la biomasa. Antes, deben ser hidrolizadas por las enzimas segregadas por los microorganismos y convertidas en moléculas solubles, de bajo peso molecular y, por tanto, de fácil asimilación para las células. La etapa de hidrólisis es lenta, es la etapa que controla el proceso y lleva asociadas tasas de consumo de oxígeno mucho más bajas que las de consumo de la DQO fácilmente biodegradable.
  • DQO soluble no biodegradable (DQOsnb). Esta fracción no se ve alterada por el contacto con la biomasa, no sufre ningún tipo de variación durante el tratamiento y sale con el efluente. Si esta fracción es mayoritaria en el efluente, los procesos biológicos quedan directamente descartados.
  • DQO particulada no biodegradable (DQOpnb). Esta fracción, aunque no es consumida por la biomasa, gran parte decanta junto a los lodos, reduciéndose la concentración a la salida en relación a la entrada.

El hecho de que la DQO soluble no se corresponda perfectamente con la DQO fácilmente biodegradable, de la misma manera que la DQO particulada no se corresponde totalmente con la DQO lentamente biodegradable, hace que la forma idónea de determinación de las diferentes fracciones sea mediante respirometría. Esta técnica mide el consumo de oxígeno por parte de la biomasa al degradar los sustratos en relación al tiempo, lo cual proporciona una información muy precisa tanto de la actividad de los organismos como de la velocidad a la que los diferentes sustratos son consumidos. La tasa de respiración es la velocidad de consumo de oxígeno, por unidad de volumen y tiempo. Representando los datos obtenidos de la tasa de respiración respecto al tiempo se obtiene un respirograma, como el ejemplo de la figura, en el cual se diferencian las siguientes áreas:

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  • A1: área proporcional a la concentración de DQO fácilmente biodegradable. Es la primera DQO que se consume y con la tasa de respiración más elevada.
  • A2: área proporcional a la concentración de DQO lentamente biodegradable. La velocidad de consumo de oxígeno es menor y se prolonga más en el tiempo.
  • A3: área proporcional a la cantidad de oxígeno consumido en el proceso de nitrificación.
  • A1+A2+A3: indica la cantidad de oxígeno necesaria para una oxidación completa de los contaminantes.
  • Una vez finalizada la respirometría, si se realiza una DQO del licor mezcla filtrado (0,45 m) se obtiene la DQO soluble no biodegradable. Y finalmente, si a la DQO inicial (total) se le resta la DQO biodegradable (suma de la fácilmente biodegradable y de la lentamente biodegradable) y la DQO soluble no biodegradable, por diferencia se obtiene la fracción de DQO particulada no biodegradable.

respirograma

Una vez determinadas las diferentes fracciones en función de su respectiva biodegradabilidad, se dispone de una caracterización completa de la materia orgánica del agua residual, la cual complementa el resto de parámetros analizados. Esta información será fundamental para tomar decisiones en la etapa de diseño del sistema de tratamiento de los efluentes; servirá para seleccionar los procesos que pueden ser eficientes y cuáles pueden ser descartados directamente. Por ejemplo, un agua con una fracción lentamente biodegradable que sea mayoritaria, no puede ser tratada mediante un sistema biológico en el que el agua esté muy poco tiempo en contacto con la biomasa.

Asimismo, la determinación de las diferentes fracciones en base a su diferente biodegradabilidad también permite calibrar los modelos cinéticos que posteriormente describirán el comportamiento del sistema (calidad del efluente, demanda de oxígeno, producción de lodos, etc.) en respuesta a fluctuaciones en tiempo real de la carga y del caudal del afluente.

Así pues, la caracterización completa del agua residual es fundamental para poder acometer con garantías de éxito la etapa de selección del tipo de tratamiento y su posterior diseño.

Tratamiento de aguas residuales: tipos de membranas de filtración y posibles configuraciones

Secciones

¿Qué es una membrana de filtración?

Las membranas son barreras físicas semipermeables que separan dos fases, impidiendo su íntimo contacto y restringiendo el movimiento de las moléculas a través de ella de forma selectiva.

Este hecho permite la separación de las sustancias contaminantes del agua, generando un efluente acuoso depurado.

La rápida expansión, a partir de 1960, de la utilización de membranas en procesos de separación a escala industrial ha sido propiciada por dos hechos: la fabricación de membranas con capacidad para proporcionar elevados flujos de permeado y la fabricación de dispositivos compactos, baratos y fácilmente intercambiables donde disponer grandes superficies de membrana.

Las principales características de los procesos de separación con membranas son las siguientes:

  • Permiten la separación de contaminantes que se encuentran disueltos o dispersos en forma coloidal.
  • Eliminan contaminantes que se encuentran a baja concentración.
  • Las operaciones se llevan a cabo a temperatura ambiente.
  • Procesos sencillos y diseños compactos que ocupan poco espacio.
  • Pueden combinarse con otros tratamientos.
  • No eliminan realmente el contaminante, únicamente lo concentran en otra fase.
  • Pueden darse el caso de incompatibilidades entre el contaminante y la membrana.
  • Problemas de ensuciamiento de la membrana: necesidad de otras sustancias para llevar a cabo la limpieza, ajustes de pH, ciclos de parada para limpieza del equipo.
  • Deficiente escalado: doble flujo-doble de equipos (equipos modulares).
  • Ruido generado por los equipos necesarios para conseguir altas presiones.

filtros membranas vibratorias

Tipos de membrana

Las membranas se pueden fabricar con materiales poliméricos, cerámicos o metálicos.

Atendiendo a su estructura física se pueden clasificar en:

Membranas microporosas

Estructuras porosas con una estrecha distribución de tamaño de poros. Las membranas que se encuadran en este grupo tienen una de distribución de diámetros de poro de 0.001mm – 10mm.

Los procesos de depuración de aguas que utilizan estas membranas, microfiltración y ultrafiltración, se basan en impedir por exclusión el paso a través de la membrana de aquellos contaminantes de mayor tamaño que el mayor diámetro de poro de la membrana, siendo parcialmente rechazadas aquellas sustancias cuyo tamaño está comprendido entre el mayor y el menor de los diámetros del poro. En este tipo de membranas la fuerza impulsora responsable del flujo de permeado a través de la membrana es una diferencia de presión.

Los filtros profundos actúan reteniendo en su interior, bien por adsorción en las paredes de los poros o por su captura en los estrechamientos de los canales de los poros, las sustancias contaminantes que se quieren excluir del agua. Son membranas isotrópicas y habitualmente se utilizan en microfiltración.

Los filtros tipo tamiz son membranas con una estrecha distribución de tamaños de poros. Capturan y acumulan en su superficie las sustancias contaminantes de mayor tamaño que los poros.

Las sustancias de menor tamaño que pasan la membrana no son retenidas en su interior, sino que salen formando parte del permeado. Suelen ser membranas anisótropas y se utilizan en ultrafiltración.

Membranas densas

Estructuras sin poros donde el paso de las sustancias a través de la membrana sigue un modelo de solución-difusión, en el que los componentes de la solución se disuelven en la membrana y posteriormente se difunden a través de ella.

La diferente solubilidad y difusividad de los componentes de la solución en la membrana permiten la separación de sustancia del tamaño de moléculas e iones. Debido a las fuertes presiones a las que tienen lugar estos procesos las membranas son de tipo anisótropo.

La ósmosis inversa y la nanofiltración son procesos que utilizan este tipo de membranas.

Membranas cargadas eléctricamente

Pueden ser porosas o densas, con restos aniónicos o catiónicos fijos en la estructura de la membrana. La separación es consecuencia de la carga de la membrana, siendo excluidos aquellos componentes cuya carga sea la misma que la de la membrana.

La separación también depende de la carga y concentración de los iones de la solución: los iones monovalentes son excluidos menos eficazmente que los divalentes, así mismo, el proceso de separación es menos efectivo en soluciones de elevada fuerza iónica.

Estas membranas se utilizan en los procesos de electrodiálisis.

Membranas anisótropas

Las membranas anisótropas son estructuras laminares o tubulares donde el  tamaño de poro, la porosidad o la composición de la membrana cambia a lo largo de su espesor.

Están constituidas por una delgada película (densa o con poros muy finos) soportada en otra más gruesa y porosa, de tal forma que la primera es la responsable del proceso de separación y la segunda aporta al sistema la suficiente resistencia mecánica para soportar las condiciones de trabajo.

La película responsable del proceso de separación y la que aporta la resistencia mecánica pueden estar fabricadas con el mismo material (membranas de Loeb-Sourirajan) o con materiales diferentes (membranas de tipo composite).

Debido a que la velocidad de paso de las sustancias a través de la membrana es inversamente proporcional a su espesor, las membranas deberán ser tan delgadas como sea posible.

Mediante la fabricación de membranas ansótropas (asimétricas) es posible conseguir espesores de membranas inferiores a 20 mm, que son los espesores de las membranas convencionales (isótropas o simétricas).

La mejora en los procesos de separación, debido a este tipo de membranas, ha hecho que sean las de elección en los procesos a escala industrial.

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Configuraciones de membrana

Las membranas pueden fabricarse en forma de láminas planas, tubulares o del tipo denominado fibra hueca (hollow fiber).

Las fibras huecas son estructuras tubulares con 0.1-1.0 mm de diámetro externo y 50 mm de diámetro interno, dimensiones que son un orden de magnitud inferior a las denominadas membranas tubulares.

La mayoría de ellas son de tipo anisótropo, donde la estructura responsable de la separación se dispone en la superfície externa o interna de la fibra.

Las fibras huecas se disponen en módulos compactos con mayor superficie filtrante que los módulos de láminas planas y de membranas tubulares, permitiendo separaciones más eficientes.

El desarrollo de materiales para la fabricación de membranas que permitan separaciones eficientes y su disposición en configuraciones o módulos de fácil instalación y sustitución que puedan agruparse para conseguir superficies filtrantes de centenas o millares de m2, ocupando volúmenes aceptables, han sido los hechos que han condicionada la utilización de membranas a escala industrial.

En la actualidad las configuraciones en las que se presentan las membranas se denominan:

Cartuchos de membranas

Donde las membranas, convenientemente plegadas, se enrollan alrededor del colector de permeado, empaquetándose en una carcasa de 25 cm de longitud y 6 cm de diámetro que se disponen en línea con el flujo que se desea tratar (alimentación), quedando los contaminantes retenidos en la membrana y generándose un efluente depurado (permeado).

En estas disposiciones se consiguen desarrollos superficiales del orden de 0.3 m2. Los cartuchos de membranas son desechables.

Módulos tipo placa-bastidor

Tiene una disposición semejante a los filtros-prensa. Las membranas se disponen en bastidores separados por placas.

La alimentación, impulsada por una bomba, circula por los espacios placa-membrana, concentrándose en contaminantes conforme tiene lugar el flujo de permeado a través de las paredes de las membranas.

Módulos de membranas tubulares

Constituidos por carcasas cilíndricas que contienen un número variable de membranas tubulares, la alimentación se bombea por el interior de las membranas, produciéndose un flujo lateral de permeado a través de las paredes.

La carcasa tiene los dispositivos adecuados para recoger los flujos de permeado y concentrado.

Las membranas tubulares están constituidas por un soporte poroso de papel o fibra de vidrio sobre el que se deposita la superficie filtrante. También se construyen en materiales cerámicos.

Los módulos tubulares suelen tener longitudes de 13 cm – 20 cm, con 4 – 6 membranas de 0.5 cm – 1 cm de diámetro, dispuestas en su interior. La velocidad de circulación de la alimentación por el interior de las membranas es de 2 m/s – 6 m/s, lo que se traduce en pérdidas de carga de 14 – 21 kPa por módulo.

El consumo de energía de las plantas que utilizan este tipo de módulos es del orden de 0.8 – 2.5 kWh/100 L permeado.

Módulos de membranas enrolladas en espiral

Estructura compleja donde una membrana en forma de “bolsa plana”, con un separador interno de las paredes de la membrana, se enrolla en espiral alrededor del tubo colector de permeado, con el que se une por la parte abierta de la “bolsa”.

Las paredes exteriores de la membrana, que forman las espirales, se encuentran separadas por estructuras huecas que permiten que la alimentación discurra a través de ellas y que el permeado fluya, lateralmente, a través de las paredes de las membranas.

Estos módulos suelen tener 20 cm de diámetro y 100 cm de largo con varias membranas enrolladas que proporcionan una superficie de membrana de 1–2 m2.

Módulos de membranas tipo fibra hueca

Estructuras semejantes a los intercambiadores de calor multitubulares, de 70 cm de longitud y 8 cm de diámetro donde se alojan 500 – 2000 membranas del tipo fibra hueca.

Básicamente existen dos configuraciones, atendiendo a que la alimentación circule por el interior o el exterior de las fibras. La caída de presión en este tipo de módulos es de 0.7 bar – 70 bar, según el tipo de aplicación.

Módulos de membranas Vibratorias VR

Para subsanar el problema común de las tecnologías de membranas, la obturación provocada por las capas de residuos que se acumulan en su superficie, se han desarrollado las membranas vibratorias VR.

La gran diferencia respecto a las membranas tradicionales es que el diseño básico es vertical en vez de horizontal, por lo que el espacio necesario por unidad es menor que en otros sistemas de separación.

Estas membranas son capaces de filtrar cualquier tipo de aguas residuales y permiten tratar efluentes con una alta carga de sólidos. Se trata además de una tecnología que no requiere de químicos para operar, a excepción de los necesarios para a limpieza periódica de la membrana.

En un Sistema VR, el líquido a tratar está prácticamente inmóvil, circulando lentamente entre los elementos de membranas paralelas. La acción de limpieza del esquileo se crea vibrando vigorosamente los elementos de la membrana en una dirección tangente a la superficie de las membranas.

Membrana vibratoriaCrédito: VSEP

Las ondas de esquileo producidas por la vibración de la membrana hacen que se levanten los sólidos de la superficie de la membrana y que se vuelvan a mezclar con el material o efluente que se mueve por el interior de la membrana. Este esquileo intenso permite que los poros de la membrana estén más limpios, logrando un rendimiento más alto que las membranas convencionales

Las membranas vibratorias VR permiten recuperar entorno al 90% de las aguas tratadas como agua limpia que pueden ser vertida o reutilizada.

El tipo de membrana que se utilice en los Sistemas VR varía en función del efluente a tratar. Una clasificación muy general sería la siguiente:

  • Membranas de Osmosis Inversa para la separación de materiales.
  • Membranas de Nanofiltración para el tratamiento de aguas residuales y para la concentración.
  • Membranas de Ultrafiltración para separaciones aceitosas y concentración.
  • Membranas de Microfiltración para separar las partículas más grandes de una fase líquida.

Otros parámetros importantes son presión, temperatura, amplitud de la vibración y el tiempo de residencia del material dentro de la membrana.

Todos estos parámetros se optimizan durante pruebas iniciales y luego se registran en un PLC que controla el sistema automáticamente.

A todo esto, hay que añadir que se trata de un sistema modular, que puede ser modificado después de su instalación en caso de ser necesario:

  • Se puede agregar fácilmente a un sistema existente para mejorar el rendimiento.
  • Puede ser instalado en zonas donde el espacio es una limitación.
  • Es fácil de transportar y se puede pasar de una planta a otra.
  • Puede ser instalado en múltiples sistemas o fases como un solo paso.
  • Más unidades se pueden instalar en la medida que la producción aumente.

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