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Filtración mediante membranas cerámicas para el tratamiento de aguas

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Introducción

Las tendencias actuales en el tratamiento de aguas se orientan hacia la utilización de membranas de filtración, bien sea para filtrar partículas en suspensión, coloides, material orgánico, bacterias, macromoléculas y hasta sales; de esta forma cubrimos el espectro de separación en función del tamaño y naturaleza de los contaminantes.

Básicamente, las membranas se clasifican en orgánicas, e inorgánicas. Las primeras se utilizan habitualmente para aguas poco contaminadas, pues los materiales en que están construidas (polisulfona, poliamida, celulosa, etc.) no toleran agentes contaminantes en elevadas concentraciones, ni valores de pH o temperaturas extremas; además los oxidantes, los aceites y la materia orgánica son agentes poco deseables que deben evitarse para impedir su ensuciamiento y deterioro.

Si nos centramos en el tratamiento de efluentes complejos, se impone el uso de membranas inorgánicas, y, entre ellas, observamos que las que se vienen utilizando en el mercado en forma creciente son las membranas cerámicas por su alta eficiencia, resistencia a los medios más extremos y durabilidad.

Para determinar las membranas cerámicas a utilizar en un caso específico, debemos tener en cuenta la naturaleza del efluente a tratar y el tamaño de las partículas que queremos separar. Así se establece el denominado cut-off, y las unidades en que se mide la talla del poro de las membranas.

Unidades de medida y relación entre ellas

Las unidades que se utilizan para medir el tamaño de las partículas son básicamente:

  • La micra (µm) = 10-3 mm
  • El nanómetro (nm) = 10-3 µm
  • El Armstrong (A0) = 10-4 µm

Los rangos de filtración en función del tamaño de los poros de las membranas se clasifican en: Microfiltración, Ultrafiltración y Nanofiltración, aunque la Nanofiltración contempla la separación parcial de las sales de mayor tamaño y se queda en un límite cercano a la osmosis inversa.

Cuando hablamos de Microfiltración, utilizamos la µm como unidad de medida de partículas, mientras que para la Ultrafiltración y en la Nanofiltración se utiliza el KD (kilodalton), que se define como la unidad de masa molecular equivalente a 1.000 daltons. Un dalton es la décima parte de la masa del átomo de carbono y equivale a 1,66 X 10-24 g.

Vemos pues que, para estos niveles, se establece una relación aproximada entre tamaño de partículas y la masa molecular, según la gráfica siguiente:

Las membranas cerámicas en el tratamiento de efluentes

En osmosis inversa hablamos de separación de sales e intervienen otros fenómenos electroquímicos más complejos. La separación se corresponde con niveles moleculares y se suele utilizar el A0 y el tipo de moléculas. En este estudio no hablaremos de las membranas de osmosis inversa, pues enfocamos la aplicación hacia el tratamiento de efluentes, y, en este sentido, estas membranas tienen muchas limitaciones como se ha indicado al comienzo del texto.

Los fabricantes de membranas cerámicas establecen el tipo de filtración en tres grupos, de acuerdo con su gama de fabricación:

  • Microfiltración : de 0,1 a 1,4 µm
  • Ultrafiltración   : de 15 a 300 KD
  • Nanofiltración : de 1 a 10 KD

En la siguiente gráfica, vemos el espectro de filtración para ultra y microfiltración, con algunos de los contaminantes que se suelen separar en cada nivel.

Espectro de la Filtración

Filtración frontal y Filtración tangencial

Cuando se realiza una filtración frontal o total, todo el líquido que entra en contacto con la superficie de la membrana es forzado a pasar a través de ella. Algunos sólidos y componentes quedarán retenidos por la membrana mientras el resto pasará al otro lado. Este proceso depende principalmente del tamaño de poro de la membrana, aunque existen otros factores para tener en cuenta. En consecuencia, el líquido gradualmente experimentará una mayor resistencia a pasar a través de la membrana, debido a la acumulación de sustancias. Cuando la presión del fluido entrante se mantiene continua, el flujo se reducirá hasta que haya disminuido tanto que la membrana tendrá que ser limpiada, pues la capa de retenido (concentrado) habrá alcanzado un grosor demasiado elevado. La presión necesaria para hacer pasar el flujo a través de la membrana es la llamada Presión Transmembrana (PTM).

La PTM se define como el gradiente de presión de la membrana, o la presión media del flujo de entrada menos la presión de permeado o filtrado. A medida que se vaya colmatando la superficie filtrante, se deberá aumentar este parámetro si se quiere continuar adecuadamente el proceso, hasta llegar a un punto límite en que se deberá poner en marcha el proceso de limpieza. Esto hace que el proceso de filtración se considere discontinuo, procurando que el ciclo operativo sea el más largo posible y que las limpiezas sean rápidas y efectivas. Este tipo de filtración tiene, por tanto, ciertos inconvenientes; pero puede ser una buena solución para muchas aplicaciones, como el concentrado de componentes.

En las membranas cerámicas se realiza una filtración tangencial, en la que el retenido o concentrado es recirculado para que, mediante un ciclo de realimentación, vuelva a formar parte del flujo de aporte que es paralelo a la membrana, por lo que este tipo de filtración permite trabajar con rangos de presión muy inferiores a los de la filtración total. Solamente una pequeña parte del flujo atravesará la membrana convirtiéndose en permeado (filtrado), y la mayor parte irá a parar al depósito de concentrado.

La velocidad del flujo de agua paralelo a la membrana es relativamente alta. El propósito de este flujo es el control del grosor de la capa. Como consecuencia de la velocidad a la que fluye el agua, las fuerzas de flujo son altas, lo que permite que los sólidos suspendidos sean arrastrados por la circulación del líquido.

Con este sistema de filtración se disminuye la posibilidad de atascamiento y se retrasa y disminuye la formación de la película de sólidos. La gestión por filtración tangencial puede alcanzar flujos estables. En cualquier caso, el ensuciamiento se produce y debe realizarse la limpieza de las membranas, que, en caso de las cerámicas, admite valores de temperatura. Oxidantes, disolventes y pH extremos.

Esquema filtración frontal y filtración tangencial

Esquema filtración frontal y filtración tangencial

La velocidad lineal (VL) o de flujo tangencial es a la que la alimentación fluye dentro de la membrana. En el caso de una membrana tubular, la velocidad lineal se puede definir como la relación entre el flujo de entrada y la sección interior de la membrana.

VL   = Fr / Si   en (m/sg.)

Donde: Fr el flujo de alimentación. [m3/sg] y Si es la sección interior de la membrana. [m2]

Una velocidad lineal alta tiende a eliminar el material depositado y, consecuentemente, reduce la resistencia hidráulica a través de la membrana lo que lleva a obtener más flujo de permeado. Caudales más altos de la alimentación también reducen los fenómenos de la polarización de la concentración aumentando el coeficiente de la transferencia de masa.

Características de las membranas cerámicas

Las membranas cerámicas se fabrican principalmente con alúmina tabular (αAl 2O3) así como de carburo de silicio (SiC) siempre a elevadas temperaturas de sinterización (1.800-2.000ºC).

Aunque también hay modelos de membranas planas para aplicaciones específicas, estas membranas suelen tener forma tubular y distintas configuraciones de acuerdo con el número de canales que las atraviesan; así para efluentes cargados o de mayor viscosidad, se suelen utilizar membranas de canales grandes y en menor número, mientras que para efluentes más fluidos y menos cargados se utilizan membranas con más canales y de menor tamaño. Las membranas con más canales tienen mayor superficie equivalente de filtración. El camino más fiable para realizar un correcto diseño de la instalación a implementar es hacer ensayos o pilotajes con el líquido a tratar, y probar distintas membranas de probable utilización.

EL conjunto de membranas a instalar para realizar el tratamiento se aloja en el interior de cárteres construidos acero inoxidable, con juntas de elastómeros adecuados al medio y a las limpiezas (normalmente vitón o PTFE).

Cárteres para membranas cerámicasCárteres para membranas cerámicasCárteres-para-membranas-cerámicas

Membranas cerámicas de distintas secciones

 

Membranas cerámicas de distintas secciones

El líquido que se pretende filtrar se acondiciona previamente en un sistema prefiltración a fin de impedir la obstrucción de los canales de las membranas. La alimentación del líquido a tratar se hace a través de los canales que atraviesan longitudinalmente la membrana. De acuerdo con el esquema anexo, el permeado se obtiene al atravesar el líquido las paredes de los canales recogiéndose en el exterior de la membrana. El concentrado queda en los canales y pasa al bucle de recirculación.

 

Ámbito de aplicación

Las membranas cerámicas tienen un amplio ámbito de aplicación, sobre todo en la industria alimentaria, farmacéutica, química, separación de metales de proceso de precipitación, baños de decapado y desengrase, industria petroquímica, de bebidas (sobre todo vinos y cervezas) y en la minería.

En este estudio las consideramos en el campo del tratamiento de aguas. Para aguas de proceso, se utiliza como pretratamiento de instalaciones que exigen valores de turbidez muy bajos como la osmosis inversa. Aunque ya se comienzan a utilizar para filtrar aguas con destinos como la microelectrónica , aguas potables o industria química.

En aguas residuales tienen un muy amplio abanico de aplicaciones, pues, además de obtener permeados de alta calidad, presentan múltiples ventajas frente a otros procesos de depuración clásicos ( flotación, decantación, filtros de arena), que aportan importantes producciones de residuos), tienen un elevado consumo de reactivos ( coagulantes, floculantes, ajustes de pH, etc.) amplias superficies ocupadas y mucha mano de obra para su mantenimiento.

En los últimos años se vienen fabricando membranas de bajo coste que permiten su utilización en tratamientos de aguas a costes competitivos.

En depuración biológica, además de la reducción de materiales contaminantes en general, también se plantea la separación de micro plásticos y fibras. Para este tipo de depuración y, especialmente para la anaerobia, ya se dispone de referencias de MBR con membranas cerámicas, por el tipo de fangos a tratar, por su elevada resistencia y la no contaminación de los fangos, que pueden ser vendidos, minimizando así el coste económico de la depuración.

Los principales sectores en que se utilizan estas membranas son:

  • Separación y recuperación de taladrinas
  • Separación y recuperación de fibras y aditivos en circuitos de la industria papelera.
  • Recuperación y depuración de baños de desengrase
  • Recuperación de industrias de pinturas
  • Recuperación de ácidos y álcalis en la industria metalúrgica
  • Separación y recuperación de tintas.
  • Separación y recuperación de disolventes
  • Separación y concentración de efluentes de azúcar en fábricas azucareras.
  • Separación y concentración de productos en la industria Química.
  • Separación recuperación de metales y aditivos en las industrias galvánicas.

Este tipo de equipos tiene un coste de instalación inicial relativamente elevado, pues al de las membranas se ha de sumar el del grupo de bombeo de recirculación que debe ser de un tamaño importante para el conjunto, a fin de conseguir velocidades tangenciales adecuadas que hagan viable el proceso, y los materiales han de ser de elevada resistencia a los medios en que se trabaja (habitualmente se utilizan aceros inoxidables del tipo AISI 316L o superiores). Sin embargo, la duración esperada de las membranas es muy larga (> 10 años), y una vez regulados los ciclos de filtración no suelen aportar problemas de mantenimiento, lo que les confiere una elevada fiabilidad.

Recuperación de filtrados y concentrados

Resulta evidente que es preciso minimizar el vertido de los efluentes más contaminantes para el medio ambiente, que son justamente los que se tratan con este tipo de membranas. La tendencia ha de ser pues el pretendido “vertido cero”, pues no hay mejor tratamiento que la no contaminación.

Se dan muchos casos en la industria, en los que una filtración realizada al nivel indicado permite obtener filtrados que son reutilizables en mayor o menor medida en los procesos productivos o de servicios de la propia empresa emisora; además, también en muchas ocasiones, el retentado podría ser reutilizado si tuviera el grado de concentración y calidad precisado, según las especificaciones del fabricante.

Las tecnologías más adecuadas para conseguir estos efectos sin producir la contaminación del efluente serían la Evaporación y la Cristalización

Con la evaporación a vacío, se consiguen destilados de elevada pureza que, frecuentemente, se pueden reutilizar en los procesos de la fábrica. Se suele trabajar a unas temperaturas de evaporación entorno a los 50ºC, y el condensado podrá aportar su energía calorífica para otros procesos mediante cambiadores de calor. Los concentrados pueden alcanzar altos niveles de sequedad, pues se trabaja en varias etapas de evaporación.

En la medida en que los concentrados adquieran una revalorización importante, se justica más su concentración incluso llegando a la cristalización mediante un equipo específico (cristalizador).

El conjunto de membranas cerámicas + evaporación / cristalización ofrecen una solución técnica altamente evolucionada y eficiente que, para los casos de reutilización, pueden considerarse más como una etapa del proceso productivo que un tratamiento de residuos o efluentes, y el plazo de amortización de las instalaciones se hace viable dentro del estudio económico global de la fábrica.

En cualquier caso, el marco de aplicación de estas soluciones se hace cada vez más amplio, en la medida en que se perfeccionan las tecnologías y se recurre a las energías renovables,

Recuperación de filtrados y concentrados

Cálculos instalación membranas cerámicas

Partimos de un ejemplo, en que se desea tratar un efluente procedente de lavado de las máquinas de impresión con tintas flexográficas, Queremos tratar un vertido diario de 35 m3, que se encuentran a temperatura ambiente (aprox. 20 ºC).

Se realiza un ensayo de la muestra con una densidad = 1 y se encuentra que el tamaño de partícula está sobre las 0,05 µm y una densidad y viscosidad similares a las del agua.

Se realizan pruebas con membranas cerámicas y se obtiene que una velocidad de 80 l/h/m2 es adecuada, y se selecciona una membrana cerámica tubular de UF, de tipo Margarina (7 canales) con superficie unitaria de 0,2 m2, que según tablas del fabricante precisan de un caudal de circulación de 1000 l/memb/m/sg. En estas condiciones, los ciclos productivos entre limpiezas del conjunto de membranas cerámicas han superado las 72 horas, lo que se considera viable para el proceso. El objetivo es recuperar el agua del vertido para reutilizarla en el lavado y concentrar el sólido separado para poderlo enviar a vertedero como residuo.

En primer lugar, calculamos la superficie necesaria para filtrar la totalidad del efluente:

S = (35 m3/d /24 h/d) / 80 l/h/m2 = 18,6 m2 de membranas tipo Margarita.

Nº. Membranas = 18,6 m2 / 0,2 m2 /membrana = 92 membranas

El fabricante dispone de dos tipos de cárteres que se le podrán adaptar:

  • 1 de 99 membranas.
  • 2 de 55 membranas.

Para seleccionar la opción más adecuada, analizamos: el coste de equipos, el consumo energético y la flexibilidad de la instalación.

Coste de la instalación:

Aunque un solo cárter de 99 membranas es más económico que dos de 55, tanto el grupo de bombeo de recirculación, como las tuberías, válvulas y accesorios son más costosos para la versión de un solo cárter, así como el cuadro de potencia y la electrificación, con lo que el coste es bastante similar para ambas opciones.

Consumo energético:

Con un caudal de 1 m3/h/membrana, y a una velocidad de circulación en las membranas recomendada de 3,5 m/sg, tenemos:

  • Caso de 1 cárter con 99 membranas:

QR = 1 m3/h/memb. /m/sg. x 99 memb. x 3,5 m/sg = 346,5 m3/h

Con este caudal y a fin de reducir la pérdida de carga, tomamos una velocidad de circulación en el bucle de 1,5 – 2 m/sg, luego el diámetro del bucle de recirculación debería ser de 12 “.

Disponiendo el mínimo de válvulas y accidentes en tubería, la pérdida de carga del conjunto es de aprox. 12 m.c.a.

Si calculamos la potencia del motor de la bomba:

Pot. = (Q x P x 75) / 10000. = (346,5 m3/h x 12 m.c.a x75) / 10000 = 31,18 CV) => Tomamos un motor de 40 CV pensando en que llevará variador de frecuencia.

  • Caso con dos cárteres de 55 membranas, dispuestos en serie:

QR = 1 x 55 x 3,5 = 192,5 m3/h., el bucle de recirculación sería de Ø 8”, en estas condiciones la pérdida de carga de los dos cárteres dispuestos en serie sería de aprox. 18 m.c.a., y la potencia del motor de la bomba:

Pot. = (192,5 x 18 x 75) / 10000 = 25,98 CV => Tomamos un motor de 30 CV.

Luego es más rentable energéticamente utilizar dos cárteres en serie.

Flexibilidad de la instalación:

Aunque las averías son escasas en este tipo de instalaciones, puede darse el caso de que tengamos una fuga en una membrana (p. ej., en una junta),o bien que se haya reventado una membrana (mucho menos probable). En el caso de disponer dos cárteres, podemos cancelar uno y trabajar con el otro a la mitad de caudal, lo que nos da mayor flexibilidad.

En este caso, optamos por disponer dos cárteres en serie, según el siguiente esquema:

Flexibilidad de la instalación

Consideraciones prácticas

Las instalaciones de membranas cerámicas son muy robustas y resistentes a las condiciones de temperatura, presión, alcalinidad, acidez y ataques químicos, pero a la vez, presentan algunas debilidades que deben tenerse en cuenta:

  • Evitar los golpes de ariete y los golpes, pues las membranas cerámicas son muy duras, pero también frágiles.
  • Evitar accidentes, válvulas e instrumentos que no sean estrictamente necesarios en las líneas de circulación para evitar pérdidas de carga que representarán un consumo energético elevado.
  • Tener en cuenta los materiales constructivos del equipo a la hora de efectuar una limpieza o de realizar un tratamiento (como por ejemplo trabajar con HF cuando hay electrodos de vidrio).
  • No estirar los ciclos de filtración, porque luego resulta más dificultoso realizar la limpieza.
  • Los efluentes de limpieza suelen ser muy contaminados, convendrá enviarlos a un gestor autorizado, o bien concentrarlos por evaporación para luego enviarlos a un vertedero de residuos adecuado a sus características.
  • La bomba de recirculación es conveniente que disponga de un variador de frecuencia, de tal forma, que consuma la energía estrictamente necesaria en cada momento.
  • Cuando se monten y desmonten las membranas en sus cárteres, deberá ponerse especial cuidado en que las juntas queden debidamente colocadas y ajustadas.
  • Por la naturaleza de los efluentes y reactivos que se manejan, se hace precisa la especial observación de las normas de seguridad, utilizando los EPIS y medidas complementarias que sean precisas.
Sergi Tuset - CEO Condorchem Envitech
CEO, Condorchem Envitech

Sergio Tuset es el CEO de Condorchem Envitech, con más de 20 años de experiencia en la gestión de compañías industriales.

Especialmente enfocado en proyectos medioambientales para clientes, es un reconocido especialista en ingeniería conceptual aplicada a tratamiento de aguas residuales, tratamiento de residuos sólidos y líquidos y tratamiento de emisiones.

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Aplicaciones industriales de la filtración por membranas

Las tecnologías de filtración por membranas están siendo cada vez más utilizadas en los procesos productivos de numerosas industrias. Su capacidad para separar extractos y esencias naturales muy específicas a temperaturas bajas o ambientales las convierte en una tecnología más rentable para este propósito que otros métodos tradicionales.

El tipo de membrana que se escoge es un factor importante para garantizar un buen funcionamiento y un óptimo rendimiento del proceso. Existen diversas clases de membranas que se adaptan a diferentes aplicaciones según cuál sea el nivel de filtrado requerido. Las membranas en espiral, las membranas cerámicas, las membranas de acero inoxidable, las membranas tubulares, las membranas de fibra hueca y las membranas “plate & frame” son los modelos más habituales.

La filtración por membranas es una tecnología a presión que se utiliza para llevar a cabo separaciones líquidas varias. Sus diferentes modalidades son la microfiltración, la ultrafiltración, la nanofiltración y la osmosis inversa.

La ósmosis inversa es especialmente adecuada para procesos de deshidratación, concentración/separación de sustancias, o tratamiento de residuos líquidos. Es muy útil para concentrar sólidos disueltos o en suspensión, por una parte, y obtener un rechazo líquido que contiene una muy baja concentración de sólidos disueltos por otra.

La ultrafiltración es un proceso de fraccionamiento selectivo que se utiliza habitualmente para el fraccionamiento de leche, suero y proteínas. Concentra sólidos en suspensión y solutos de peso molecular mayor a 1000. Por su parte, el rechazo líquido contiene solutos orgánicos de bajo peso molecular y sales.

La nanofiltración suele aplicarse para desmineralizado, remoción de color, y desalinización.

La microfiltración es un proceso de flujo de baja presión a través de membrana para la separación de coloides y partículas suspendidas en el rango de 0.05 – 10 micrones. La microfiltración se utiliza para fermentaciones, clarificación de caldo y clarificación y recuperación de biomasa.

Aplicaciones industriales

La filtración por membrana puede ser aplicada en infinidad de industrias en las que intervienen procesos químicos. La industria de la alimentación, con especificaciones importantes en los sectores lácteo y del azúcar, la farmacéutica, la biotecnológica y la química, propiamente dicha, son ámbitos en los que la filtración por membranas puede ser de gran utilidad.

La aplicación de las diversas técnicas de filtración por membranas en la industria alimentaria abarca infinidad de campos. Entre los más comunes se pueden citar la concentración de clara de huevo, la Clarificación y preconcentración de jugos de frutas, la concentración y extracción de cenizas de gelatina porcina, vacuna o de hueso, la clarificación de la salmuera de carne para la remoción de bacterias y re-uso de la salmuera, la Concentración de proteínas de vegetales y plantas tales como soja, canola y avena y la desalcoholización de vino y cerveza.

Industria láctea: la filtración por membrana es una parte valiosa del proceso de producción, especialmente en la manufactura de ingredientes lácteos. Sus aplicaciones pueden dividirse en tres categorías: aplicaciones a leche, aplicaciones a suero y otras aplicaciones como el clarificado de salmuera de queso.

Industria de almidones y edulcorantes: el beneficio principal es el incremento en el rendimiento de los productos, entre los que se incluyen la clarificación de jarabes de maíz como dextrosa y fructosa, la concentración de agua de lavado del almidón, el enriquecimiento de dextrosa, la de-pirogenación del jarabe de dextrosa y el fraccionamiento/concentración de agua de maceración.

Industria del azúcar: la filtración por membranas se puede utilizar para clarificar el jugo no procesado sin utilizar clarificadores primarios, eliminando así muchos problemas ambientales y mejorando la calidad y el rendimiento de otros métodos tradicionales. Las membranas también pueden clarificar, fraccionar y concentrar varias soluciones de azúcar en el proceso de producción.

Industria química: muchos procesos químicos utilizan la filtración por membranas para desalar, diafiltrar y purificar tintes, pigmentos y abrillantadores ópticos, limpiar las corrientes de aguas residuales y de lavado, la concentración y deshidratación de minerales como arcilla caolínica, dióxido de titanio y carbonato de calcio, la clarificación de cáusticos, la producción de polímeros o la recuperación de metales.

Industria farmacéutica: la cosecha de células o recuperación de biomasa es un paso importante en un proceso de fermentación, especialmente al manufacturar productos como los antibióticos. La filtración mejora la producción y reduce la tarea del operario y el costo de mantenimiento. Las membranas son también una parte estándar de las líneas de producción industrial de enzimas al concentrar enzimas previamente a otros procesos.

Sergi Tuset - CEO Condorchem Envitech
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Sergio Tuset es el CEO de Condorchem Envitech, con más de 20 años de experiencia en la gestión de compañías industriales.

Especialmente enfocado en proyectos medioambientales para clientes, es un reconocido especialista en ingeniería conceptual aplicada a tratamiento de aguas residuales, tratamiento de residuos sólidos y líquidos y tratamiento de emisiones.

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Reducción de los residuos líquidos en el sector de las artes gráficas

En este post vamos a repasar algunos de los principales residuos líquidos que se generan en el sector de las artes gráficas y las tecnologías más adecuadas para su tratamiento.

Recuperación de disolventes de limpieza residuales mediante destilación

Descripción: Los disolventes residuales empleados para la limpieza se pueden destilar y reutilizar. Existen equipos para la operación específica del destilado de estos disolventes.

Cuando se aplican sistemas de limpieza de grasa o de purgado, se emplean  disolventes para limpiar este sistema después de cada cambio de color. Los equipos modernos de suministro de tintas ya llevan incorporados equipos de recuperación de estos disolventes.

Beneficios ambientales alcanzados: Los beneficios ambientales conseguidos  mediante esta técnica son muy importantes: Por un lado, se consigue reducir la cantidad de disolventes residuales, que son una vez empleados gestionados como residuos contaminantes. Por otro lado, la utilización del disolvente reciclado reduce la cantidad necesaria de disolvente fresco de limpieza a consumir, lo que conlleva un importante ahorro económico.

Efectos adversos: La destilación del disolvente contaminado requiere del consumo de energía.

Datos operativos: El equipo de destilación debe ser instalado y operado con cuidado.

Los agentes de limpieza con un alto punto de inflamación normalmente también tienen un alto punto de ebullición. Para estos disolventes, sólo se puede aplicar un equipo de destilación a vacío, de forma que no se alcancen temperaturas excesivamente altas. En esta situación, sin embargo, el empleo de una membrana de filtración puede ser una alternativa más barata. Ya existen máquinas de lavado con un sistema de destilación incorporado.

Aplicabilidad: La recuperación de disolventes de limpieza mediante destilación es una técnica aplicable a todos los sectores industriales. En particular: En las industrias de impresión por huecograbado, flexografía y offset de secado por calor (heat-set offset) es de común aplicación la recuperación de disolventes por destilación. Es sobre todo muy empleada en plantas cuyo consumo supere los 200 litros de disolventes de limpieza a la semana.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de recuperación de disolventes por destilación varían en un amplio rango, ya que dependen del tamaño necesario del equipo y de la aplicación específica del mismo. Sin embargo, mediante la aplicación de esta técnica se consigue también un considerable ahorro de costes debido a la reutilización del disolvente, así como una minimización en los costes de gestión de los residuos generados, que al ser éstos menores también se reducen.

Razones para su implementación: Reducción de las emisiones de COVs y cumplimiento de la normativa referente a los mismos. Ahorro económico en materias primas por reciclado de disolvente, y reducción de costes de gestión de residuos generados.

Destilación y evaporación de residuos de productos en base solvente

Descripción: Los residuos en base solvente, como por ejemplo las tintas, barnices y adhesivos empleados en las plantas de impresión pueden ser destilados y evaporados al vacío para recuperar el disolvente y reducir de esta manera la cantidad de residuos peligrosos.

Beneficios ambientales alcanzados: La cantidad de residuos contaminantes y/o peligrosos se reduce y se consigue una reducción en el consumo de materias primas (disolvente).

Efectos adversos: La destilación del disolvente contaminado requiere del consumo de energía.

Aplicabilidad: Esta técnica es aplicable en todas las instalaciones de impresión, tanto nuevas como existentes.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de recuperación de disolventes por destilación varían en un amplio rango, ya que dependen del tamaño necesario del equipo y de la aplicación específica del mismo. Sin embargo, mediante la aplicación de esta técnica se consigue también un considerable ahorro de costes debido a la reutilización del disolvente, así como una minimización en los costes de gestión de los residuos generados, que al ser éstos menores también se reducen.

Reducción y tratamiento del agua residual mediante ultra y nanofiltración

Descripción: Con la ultrafiltración y la nanofiltración (UF y NF), también conocidas como ósmosis inversa, el agua contaminada pasa a través de una membrana semi-permeable a alta presión, que deja pasar las pequeñas moléculas de agua, pero no las moléculas de mayor tamaño. La concentración de los compuestos contaminantes sobre la membrana se incrementa por el paso repetido del agua contaminada a través de esta membrana.

Beneficios ambientales alcanzados: Se reduce el volumen de sustancias contaminantes y el agua puede ser reutilizada para, por ejemplo operaciones de limpieza, etc. El residuo filtrado, por ejemplo de tinta o de pintura, puede ser recuperado y re-utilizado.

Efectos adversos: El agua filtrada si no es re-utilizada se vierte por el sistema de alcantarillado. La filtración requiere del consumo de energía

Aplicabilidad: Esta técnica es comúnmente aplicada en las plantas de impresión en las que se emplean grandes cantidades de tintas en base agua, barnices y adhesivos, como son las plantas de impresión de embalaje. También se emplea en la industria automovilística.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de ultrafiltración ó nanoflitración son bastante elevados.

Destilación al vacío

Descripción: Se trata de una destilación efectuada realizando un vacío en la columna, de forma que la ebullición del disolvente ó del líquido que se quiere separar se produzca a una Tª inferior a la que se produciría a la presión atmosférica. En el resto de las características, esta técnica es similar a la destilación convencional.

Aplicabilidad: Aplicable en toda la industria gráfica.

Sergi Tuset - CEO Condorchem Envitech
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Sergio Tuset es el CEO de Condorchem Envitech, con más de 20 años de experiencia en la gestión de compañías industriales.

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Tratamiento de purines

Secciones

Desarrollo ganadero e impacto actual

Los residuos y las consecuencias de su vertido se están convirtiendo en uno de los principales problemas del mundo moderno debido al deterioro que causan al medioambiente.

La industria porcina representa una importante actividad económica en España. De acuerdo con los datos del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, en 2013 había en España más de 25 millones de cabezas de porcino, el 51% de las cuales sólo entre las comunidades de Catalunya y Aragón.

Esta cifra ha ido creciendo año tras año en las últimas décadas, proliferando la implantación de granjas de tipo industrial al margen de criterios de ordenación del territorio, que han contribuido al desequilibrio entre ganadería y agricultura. Este hecho ha conllevado a la aparición de numerosos problemas de contaminación ambiental.

Las explotaciones ganaderas, fundamentalmente las de cerdos, no son ajenas a esta problemática, ya que albergan a un gran número de animales, y en numerosas ocasiones no cuentan con terreno suficiente para absorber la gran cantidad de residuos, lo cual plantea serios problemas en el manejo de los mismos.

La Legislación y controles son cada vez más rígidos de cara a encontrar una solución viable a un problema de graves repercusiones medio ambientales.

La Administración, con la intención de atajar los problemas derivados de la sobredosificación de purines a modo de abono en los suelos, ha desarrollado un marco legislativo muy estricto que afecta a la explotación de las granjas.

Así, sistemas que traten los efluentes de forma eficiente y que además sean viables económicamente son indispensables para la supervivencia de las explotaciones actuales así como para la promoción de nuevas.

Problemas derivados de los purines

El doble objetivo consiste en solucionar los problemas planteados por los residuos (olores, problemas de almacenamiento, contaminación de cauces, aguas freáticas y suelos), y por otro lado, aprovechar la carga orgánica y fertilizante que estos poseen para la utilización en la agricultura dando una solución a un producto difícilmente eliminable.

El proceso que se desarrolla en la granja es la cría intensiva de cerdos, por lo general en ciclos cerrados, con una enorme generación de residuos, sólidos y líquidos, que contienen un alto poder contaminante hacia los suelos, aguas, y aire.

tratamiento-purines-condorchem

El uso lógico para estos residuos es aportarlos al campo como abono, pero ante la gran concentración de granjas, y por tanto de purines, la cantidad de excrementos resulta excesiva, contaminando suelos, aguas, y emitiendo a la atmósfera gran cantidad de gases generados.

Hasta la fecha, la mayoría de plantas de tratamiento de purines han consistido en plantas de cogeneración, donde se quema gas natural para secar térmicamente los purines y, con el calor residual de combustión, se genera energía eléctrica que se vende e inyecta a la red. No obstante, la nueva reforma del sector eléctrico, que ha reducido sustancialmente el precio del kWh cogenerado, así como el aumento de precio del gas natural, han hecho que este mecanismo técnico-financiero no se sostenga económicamente.

En este contexto, los sistemas en desarrollo de tratamiento de purines deberán ser, además de eficientes y respetuosos con el medio ambiente, también sostenibles económicamente sin la ayuda de bonificaciones artificiales susceptibles de ser retiradas vía un cambio legislativo.

Estos sistemas de tratamiento deberán ser diseñados con arreglo al funcionamiento de las granjas intensivas, las cuales emplean como sistema de limpieza el agua a presión para arrastrar las deyecciones. Esta técnica, que facilita la limpieza e incrementa las condiciones sanitarias de la granja, en contrapartida conlleva un elevado consumo de agua y genera un elevado caudal de purines, que no son más que una mezcla líquido-pastosa de defecaciones, aguas de lavado y restos de pienso.

La concentración de contaminantes de los purines depende del tamaño de la granja, puesto que las explotaciones más grandes hacen un uso más intensivo del agua. En general, la carga contaminante presenta una elevada variabilidad, ya que depende del proceso productivo (maternidad, destete, lechones, engorde, etc.), de la alimentación, de la edad de los animales, etc. Estos factores hacen que sea imprescindible una correcta caracterización de los efluentes.

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Tratamientos y aplicaciones de los purines

Existen diferentes alternativas de gestión de los purines, desde lo más sencillo (y a menudo inviable) hasta lo más eficiente y competitivo, para ello se emplean distintas tecnologías entre las que destacan la ultrafiltracióntratamientos biológicostratamiento físico químico, o la evaporación.

A continuación, una breve descripción de las diferentes alternativas existentes:

  • Aplicación agrícola directa

    Esta solución sólo es viable cuando el balance entre agricultura y ganadería es equilibrado. Cuando la explotación ganadera es industrial, la generación de residuos es muy elevada en proporción a la extensión de suelo disponible, ya que la normativa fija la cantidad máxima de purines que se pueden dosificar al suelo, por unidad de superficie y año.

  • Secado térmico directo

    Aunque es una opción técnicamente eficaz, conlleva elevados costes de operación. Hasta la actualidad era la opción habitual en España, puesto que las bonificaciones a la cogeneración hacían viable económicamente quemar gas natural para secar los residuos y producir energía eléctrica. Con la reforma del sector eléctrico no es viable económicamente quemar gas natural para secar residuos.

  • Compostaje

    La fracción sólida de los purines, mezclada con fibra de coco y turba, puede ser compostada.

    El compost obtenido puede ser utilizado en la restauración ecológica y paisajística de suelos degradados por el pastoreo, la agricultura, la recolección de leña, etc. en los que se ha reducido considerablemente el contenido en materia orgánica y, por tanto, su fertilidad.

    No obstante, sólo es una salida a la fracción sólida y, aunque la calidad del compost es buena, el sobrecoste que tiene esta alternativa en relación con otras sólo es justificable desde el punto de vista de los beneficios ambientales.

  • Tratamiento biológico aerobio + tratamiento fisicoquímico

    Los purines tienen una relación DBO5/DQO entre 0,2 y 0,4 y un elevado contenido de nitrógeno en relación al carbono.

    Estos dos factores hacen que, aunque puedan ser tratados mediante un proceso biológico aerobio con eliminación de nutrientes, los resultados mejoran drásticamente si se combina el proceso aerobio con un sistema fisicoquímico. A pesar de que esta opción es eficaz técnicamente, no es la más competitiva económicamente ni la más sencilla en cuanto a explotación se refiere.

  • Biometanización y evaporación del digestato

    Esta alternativa es la más interesante en cuanto a sostenibilidad tanto económica como ambiental.

    El contenido de materia orgánica de los purines no es muy elevado, pero si se mezclan con residuos orgánicos de origen vegetal o cualquier otro residuo que contenga materia carbonosa, se pueden someter a un proceso de digestión anaerobia o biometanización.

    Como resultado se obtiene:

    • Una fracción sólida (fango digerido), estabilizado e higienizado, el cual puede ser utilizado directamente como abono en agricultura.

    • Una fracción líquida, el digestato, que mediante un proceso de evaporación al vacío puede ser concentrado, obteniendo por un lado agua, y por el otro lado, un residuo concentrado que puede ser valorizado como fertilizante.

    • Una fracción gaseosa, biogás, que puede ser utilizado como combustible en un proceso de cogeneración, en el cual se transforma en energía térmica y en energía eléctrica.

      La energía térmica se puede aprovechar tanto para mantener el digestor anaerobio operando a la temperatura óptima (36-38 ºC), como para satisfacer los requerimientos de calor del evaporador al vacío que trata el digestato. La energía eléctrica puede ser auto consumida tanto en la explotación ganadera como en la planta de tratamiento de purines, reduciendo los costes de explotación de la actividad.

Así pues, las granjas industriales dedicadas al ganado porcino tienen un problema de desequilibrio entre el volumen de purines generado y la extensión de suelo disponible para asimilarlo. La exigente normativa obliga a que los purines generados sean gestionados respetuosamente con el medio ambiente y para el equilibrio financiero de la actividad, el sistema de tratamiento debe ser competitivo económicamente.

De las diferentes alternativas de gestión existentes, la más competitiva económicamente, así como respetuosa con el medio ambiente es el tratamiento de los purines mediante un proceso de biometanización. Como resultados finales se obtiene un sólido utilizable como abono para agricultura, un residuo líquido que puede ser revalorizado como fertilizante, agua y energía que se utiliza en reducir los costes de explotación de la actividad en su globalidad.

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