2 5 advanced (tertiary) treatment e book

ELEARNI NG CONTRI BUCI ON DE LOS OPERADORES EN LA GESTI ON DE LAS AQUAS RESI DUALES

TOMO 2.

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2.5TRATAMIENTO AVANZADO O TERCIARIO

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2 2.5 TRATAMIENTO AVANZADO O TERCIARIO 2.5.1 INTRODUCCIÓN 2.5.1 FILTRACIÓN 2.5.1.1 Filtración en profundidad 2.5.1.2 Filtración superficial 2.5.1.3 Filtración por membranas 2.5.2 ADSORCIÓN 2.5.3 INTERCAMBIO IÓNICO 2.5.4 PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA 2.5.5 PRECIPITACIÓN QUÍMICA 2.5.5.1. Eliminación del fósforo 2.5.5.2. Eliminación de metales y sustancias inorgánicas disueltas

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2.5 TRATAMIENTO AVANZADO O TERCIARIO 2.5.1 INTRODUCCIÓN El tratamiento avanzado de aguas residuales se define como el tratamiento adicional necesario para eliminar todo tipo de componentes disueltos, coloidales o en suspensión que no han sido eliminados en el tratamiento secundario convencional. El tratamiento avanzado de aguas es necesario cuando se da alguno de los siguientes factores:

• Si es necesario eliminar materia orgánica y sólidos totales suspendidos que han escapado a los procesos de tratamiento secundario convencionales, para así cumplir con los requisitos de vertidos y reutilización más estrictos.

• Si es necesario eliminar los sólidos totales suspendidos de carácter residual, de forma que se pueda preparar el agua residual tratada para una desinfección mucho más efectiva.

• Si es necesario eliminar los nutrientes que han escapado a los procesos de tratamiento secundario convencionales y limitar así la eutrofización de las masas de agua sensibles.

• Si es necesario eliminar elementos orgánicos e inorgánicos (metales pesados) específicos para cumplir con los estrictos requisitos en materia de vertidos y reutilización, ya sea en las aguas superficiales, en la dispersión de efluentes terrestres o en aplicaciones de reutilización indirecta de agua potable (recarga de aguas subterráneas).

Para cumplir con estos nuevos requisitos, habrá que adaptar muchas de las instalaciones de tratamiento secundario ya existentes y construir nuevas instalaciones de tratamiento avanzado de aguas residuales.

Los sistemas avanzados de tratamiento de aguas residuales se pueden clasificar por el tipo de operación que realiza la unidad, por el tipo de proceso que se lleva a cabo o según las principales funciones de eliminación que realizan:

1. Filtración. Eliminación de sólidos coloidales o suspendidos (orgánicos o inorgánicos).

2. Adsorción. Eliminación de elementos orgánicos disueltos.

3. Intercambio iónico. Eliminación de nitrógeno, metales pesados y sólidos totales disueltos.

4. Procesos de oxidación avanzada. Eliminación de compuestos orgánicos disueltos.

5. Precipitación química. Eliminación de fósforo, metales pesados y sustancias inorgánicas disueltas.

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4 La siguiente tabla muestra las operaciones típicas y los procesos seguidos en una unidad de eliminación de elementos residuales en los efluentes de aguas residuales tratadas.

Operaciones y procesos seguidos en una unidad durante la eliminación de elementos residuales presentes en los efluentes de aguas residuales tratadas (1 de 2)

(Eddy, 1999)

[Operación o proceso seguido en la unidad (sección tratada): Filtración en profundidad · Filtración superficial · Micro y ultrafiltración · Nanofiltración / Ósmosis inversa · Electrodiálisis Componentes residuales: Sólidos coloidales y suspendidos (orgánicos e inorgánicos) Sólidos suspendidos Sólidos coloidales

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5 Materia orgánica (en partículas) Materia orgánica disuelta Carbono orgánico total Material orgánico refractario Compuestos orgánicos volátiles Materia inorgánica disuelta Amoníaco Nitrato Fósforo Sólidos totales disueltos Materiales biológicos Bacterias Quistes y ooquistes protozoarios Virus b

El fósforo se elimina tras un proceso de filtración de dos fases.

c

Puede haber remanentes.]

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Operaciones y procesos seguidos en una unidad durante la eliminación de elementos residuales presentes en los efluentes de aguas residuales tratadas (2 de 2)

(Eddy, 1999)

[Operación o proceso seguido en la unidad (sección tratada): Adsorción · Arrastre con aire · Intercambio iónico · Procesos de oxidación avanzada · Destilación · Precipitación química · Oxidación química · EL RESTO ES IGUAL A LA TABLA ANTERIOR]

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En la siguiente figura se muestran los diagramas de flujo del proceso de tratamiento avanzado convencional. En estos diagramas se pueden apreciar muchas de las tecnologías descritas en la tabla anterior.

Diagramas de flujo del proceso convencional seguido en el tratamiento avanzado de aguas residuales con (a) efluentes secundarios sedimentados y (b) efluentes primarios sedimentados

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8 (Eddy, 1999)

[Efluentes secundarios sedimentados con y sin nitrificación y eliminación de nutrientes biológicos (1) Coagulación · Filtración · Adsorción del carbono (opcional) · Cl2 o desinfección ultravioleta (2) Coagulación · Floculación · Filtración · Cl2 o desinfección ultravioleta (3) Coagulación · Floculación · Sedimentación · Filtración · Cl2 o desinfección ultravioleta (4) Precipitación de cal · Recarbonización · Filtración · Adsorción de carbono · Ozonización · Desinfección ultravioleta · Desinfección con cloro (5) Ultrafiltración · Ósmosis inversa · Ozonización · Desinfección ultravioleta · Desinfección con cloro (6) Filtración · Desinfección ultravioleta · Adsorción de carbono · Ultrafiltración · Arrastre con aire · Ozonización · Desinfección con cloro (7) Microfiltración · Ósmosis inversa · Intercambio iónico · Ozonización · Desinfección con cloro (8) Microfiltración · Ósmosis inversa · Tratamiento ultravioleta · Desinfección con cloro

(a) (b) Efluentes primarios sedimentados (9) Biorreactor de membranas · Desinfección ultravioleta o con cloro (10)

Biorreactor de membranas · Ósmosis inversa · Tratamiento ultravioleta]

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2.5.1 FILTRACIÓN La siguiente figura recoge una clasificación general de los procesos de filtración usados normalmente en la ingeniería de las aguas residuales.

Clasificación de los procesos de filtración usados normalmente en la gestión de aguas residuales

(Eddy, 1999) [Filtración Filtración en profundidad Filtración lenta con arena Filtración por medios comprimibles y de porosidad rápida > Diversas tecnologías de filtración Filtración intermitente por medios porosos Filtración por recirculación de medios porosos Filtración superficial Filtros de laboratorio utilizados para la prueba del TSS Filtración por diatomitas Filtración con telas o cribas Filtración por membranas Microfiltración Ultrafiltración Nanofiltración Ósmosis inversa]

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10 2.5.1.1 Filtración en profundidad Proceso En este tipo de filtración, la eliminación del material suspendido tiene lugar dentro y en la superficie del lecho del filtro. También se suele recurrir a este tipo de filtración como tratamiento previo a la filtración por membranas. La siguiente figura muestra las características generales de un filtro convencional de profundidad media y granulación rápida.

Características generales y funcionamiento de un filtro convencional de profundidad media y granulación rápida: (a) flujo durante el ciclo de filtración y (b) flujo durante el ciclo de retrolavado Agua sin filtrar Válvula (abierta) Válvula de residuos del retrolavado (cerrada) Garganta Artesa del agua retrolavada Arena Medio de soporte de la arena (gravilla) Fondo del filtro Desagüe inferior Válvula de aire (cerrada) Controlador de flujo Motor Sensor de flujo Válvula de control de flujo (abierta, variable) Agua filtrada (a) Válvula (cerrada) Sección 1-1 Agua retrolavada Válvula (abierta) Agua/Aire Altura del lecho de arena expandido

(Eddy, 1999)

Aire Válvula de control de flujo (cerrada) Agua retrolavada (abierto)

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11 Como se muestra en la figura, el medio de filtración (arena) se sostiene sobre una capa de gravilla, que, a su vez, se apoya sobre el sistema de desagüe inferior del filtro. El agua sin filtrar entra en el filtro mediante un canal de entrada. El agua filtrada se recoge en el sistema de desagüe inferior, que se utiliza también para invertir el flujo de retrolavado del filtro. El agua filtrada se desinfecta normalmente antes de ser expulsada al exterior. Si el agua filtrada se va a reutilizar, esta se envía a un depósito de almacenamiento o al sistema de distribución de agua regenerada.

Proceso de filtración en un filtro de profundidad Sustancia Medio del filtro Intrusión de partículas Penetración/Filtrado

En un filtro convencional de profundidad de flujo descendente, el agua residual que contiene materia en suspensión se vierte sobre la parte superior del lecho filtrante. A medida que el agua pasa a través del lecho del filtro, la materia en suspensión se elimina mediante varios mecanismos, tal y como se describe a continuación. Con el paso del tiempo, el material se acumula en los intersticios del medio granular, de modo que la pérdida de carga a través del filtro aumenta más allá del valor inicial. Tras un cierto período de tiempo, la pérdida de carga en funcionamiento o la turbidez del efluente alcanzan un nivel o valor predeterminado y se debe limpiar el filtro. En condiciones ideales y para contar con una calidad aceptable de filtrado, el tiempo estimado para que la pérdida de carga aumente y alcance el valor tope preseleccionado debería equivaler al tiempo que los sólidos en suspensión en el efluente tardan en alcanzan dicho valor. En la práctica, el ciclo de lavado se regirá por un caso u otro.

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12 Proceso de filtración y retrolavado en un filtro de profundidad convencional

[Reflujo; Entrada; Salida; Proceso de filtración / Reflujo; Entrada; Salida; Proceso de retrolavado]

El tamaño de los granos es la principal característica del medio que afecta al proceso de filtración.

Afecta tanto a la pérdida de carga del agua limpia como al aumento de dicha pérdida durante el funcionamiento del filtro. Si es demasiado pequeño, se selecciona un medio filtrante. Gran parte de la fuerza motriz se focalizará en la resistencia de la fricción del lecho filtrante. Por otro lado, si el tamaño del medio es demasiado grande, muchas de partículas minúsculas en el influente traspasarán el lecho sin problema.

La última fase del filtro se alcanza cuando los sólidos suspendidos en el efluente comienzan a aumentar y alcanzan un nivel mayor al aceptable, o cuando se alcanza el tope de pérdida de carga en el lecho filtrante. Cuando se da una de esas dos situaciones, la fase de filtración llega a su fin. Posteriormente, se debe limpiar el filtro (retrolavado) con el fin de eliminar los materiales (sólidos suspendidos) que se han ido acumulando en el lecho granular del filtro. El retrolavado se lleva a cabo al invertir el flujo del filtro. Se inyecta un flujo de agua lavada suficiente como para expandir el medio granular del filtro, lo que hará que las partículas de dicho medio se erosionen.

La materia suspendida que se encuentra en el interior del filtro es eliminada debido a la fuerza de cizallamiento generada durante el retrolavado, esto es, conforme el agua asciende y traspasa el lecho expandido. De esta forma, se consigue eliminar el material que se ha acumulado en el lecho. Para mejorar la limpieza de dicho filtro, se suele recurrir a un lavado superficial con agua y

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aire junto con el retrolavado del agua. En muchos de los diagramas de flujo sobre plantas de tratamiento de aguas residuales se muestra cómo el agua del lavado (con los sólidos suspendidos que han sido eliminados) se envía nuevamente a las instalaciones de sedimentación primaria o al proceso de tratamiento biológico.

[FILTRADO: Entrada de agua · Retorno de agua · Salida de residuos/Retrolavado RETROLAVADO: Entrada de agua · Retorno de agua · Salida de residuos/Retrolavado]

Dependiendo de la calidad del efluente secundario asentado, se puede recurrir a productos químicos para mejorar el rendimiento de los filtros de efluentes. Además, estos productos se han utilizado para alcanzar objetivos de tratamiento específicos como la eliminación de ciertos contaminantes (fósforo, iones metálicos y sustancias húmicas). Para controlar la eutrofización, el proceso de filtración de contacto se utiliza en muchas partes del país con el fin de eliminar el fósforo de los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales que se vierten en algunos cuerpos de agua. El proceso de filtración de dos etapas ha demostrado ser muy eficaz.

De hecho, los niveles de fósforo son de 0,2 mg/L en el efluente filtrado. Entre los productos químicos comúnmente usados en la filtración de efluentes se encuentran varios polímeros orgánicos, alumbre y cloruro férrico.

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14 Clasificación de los filtros •

Los filtros se pueden clasificar según su funcionamiento en semicontinuos o continuos.

•

Dentro de los dos tipos mencionados en el punto anterior, podemos encontrar varios tipos de filtros según la profundidad del lecho: poco profundo, convencional o profundo.

•

El tipo de medio de filtración utilizado: uno, dos o varios.

•

El tipo de funcionamiento que presenta: de flujo descendente o ascendente.

•

El tipo de fuerza motriz existente: por gravedad o presión.

•

El método utilizado para gestionar los sólidos (almacenamiento en superficie o interno).

Filtros más utilizados para la filtración de aguas residuales (1) Filtros de flujo descendente convencionales.

(2) Filtros de flujo descendente con lecho profundo.

(3) Filtros de flujo ascendente con lecho profundo y retrolavado continuo.

(4) Filtros de lecho pulsado.

(5) Filtros de puente móvil.

(6) Filtros con medios sintéticos.

(7) Filtros de presión.

Instalaciones de un filtro de lecho profundo

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15 Esquemas ilustrativos de los principales filtros con medios granulares: (a) filtro convencional de flujo descendente y un único medio; (b) filtro convencional de flujo descendente y dos medios; (c) filtro convencional de flujo descendente, con un solo medio y lecho profundo; (d) Filtro de flujo ascendente con lecho profundo y retrolavado continuo; (e) filtro de lecho pulsado; (f) filtro de puente móvil; (g) filtro con medio sintético; (h) filtro de presión

IMAGEN 1: Respiradero · Influente · Superficie de agua variable · Criba de retención de la arena · Arena · Cámara de distribución del aire · Efluente · Sistema de desagüe inferior abierto al exterior durante la filtración IMAGEN 2: Influente · Superficie de agua variable · Artesa de agua lavada · Mecanismo de retrolavado por puente móvil · Agua retrolavada · Arena · Bomba de agua lavada · Tapa de retrolavado · Efluente · Celdas de arena individuales · Placa de apoyo de la arena

(Eddy, 1999) IMAGEN 3: Influente · Medio sintético del filtro · Agua retrolavada · Motor · Tornillo continuo · Placa perforada superior móvil durante el retrolavado · Efluente · Placa perforada superior móvil durante el filtrado · Placa perforada inferior fija · Difusor de aire

IMAGEN 4: Influente · Arena · Gravilla · Relleno de hormigón · Colectores y laterales · Efluente · Deflector

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16 A la hora de determinar el tamaño de una unidad de filtración, el parámetro más importante que se debe tener en cuenta es la tasa de filtración. Esta se mide en L/m2_min donde:

L /min: flujo de agua que se tiene que filtrar por minuto m2: superficie de sección del filtro, perpendicular a la dirección del flujo

Los datos de diseño típicos para los filtros de profundidad dependen especialmente de la tasa de filtración (80-600 L/m2_min) y del flujo de agua residual que se debe tratar. La tasa de filtración es importante porque afecta al tamaño real de los filtros que se requerirán. Para ciertas aplicaciones del filtro, la tasa de filtración variará según la fuerza del flóculo y el tamaño del medio de filtrado.

Por ejemplo, si la fuerza del flóculo es débil, las altas tasas de filtración tenderán a cizallar las partículas de flóculos y transportar buena parte del material a través del filtro. Se ha observado que las tasas de filtración en el intervalo de 80 a 320 L/m2_min no afectan a la calidad del efluente al filtrar efluentes de fangos activos sedimentados.

Funcionamiento y mantenimiento A la hora construir nuevas plantas tratamiento de aguas residuales conviene prestar una mayor atención al diseño de instalaciones secundarias de sedimentación. Con instalaciones bien diseñadas y efluentes con un TSS de unos 5 mg/L, el hecho de escoger un sistema de filtración u otro vendrá determinado por variables ligadas al tipo de planta: espacio disponible, duración del período de filtración (estacional o anual), tiempo disponible para construir o costes. En el caso de las plantas ya existentes que presentan concentraciones de sólidos suspendidos muy variables en sus efluentes y precisan una reforma, lo conveniente sería considerar qué tipo de filtro sería viable incluso cuando la carga fuese mayor a la normal. Un ejemplo sería el uso del filtro de lecho pulsado o de los filtros de flujo ascendente y descendente con lecho profundo y medio grueso.

Las instalaciones de control de la filtración de aguas residuales incluyen sistemas de instrumentación para el control y seguimiento de los filtros. Los sistemas de control son similares a los utilizados para el tratamiento de las aguas. Sin embargo, no se requiere la automatización completa de los filtros de aguas residuales por gravedad. Si bien no se requiere una automatización completa, sí que se suelen utilizar sistemas de control totalmente automáticos con controladores lógicos programables (CLP). El flujo de los filtros puede controlarse desde un nivel de agua contracorriente de los filtros o desde el nivel del agua en cada filtro. Estos niveles de

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

agua se utilizan junto con los controladores de velocidad de flujo o una válvula de control para limitar o regular el caudal a través de un filtro. Entre los parámetros de funcionamiento hidráulico del filtro que requieren seguimiento se incluyen el caudal de agua filtrada, la pérdida de carga total a través de cada filtro, el caudal de agua de lavado de la superficie y retrolavado, así como el caudal de aire en caso de utilizar un sistema de lavado de aire/agua. Entre los parámetros de calidad que se utilizan para el agua filtrada, destaca el seguimiento de DBO, TSS, fósforo y nitrógeno. Asimismo, puede hacerse un seguimiento de la turbidez en los sistemas en los que se emplean productos químicos. Las señales de los monitores de turbidez del efluente y su caudal se suelen utilizar para marcar el ritmo del sistema de alimentación químico. La secuenciación del ciclo de retrolavado para un filtro por gravedad convencional debe ser, preferiblemente, semiautomática e incorporar arranque manual y funcionamiento automático para llevar el ciclo de retrolavado a través de sus diversas etapas. El diseño de sistemas de retrolavado debe tener en cuenta las altas temperaturas que las aguas residuales desprenden en las plantas de tratamiento.

Los filtros deberían contar con unidades de control locales que permitieran su manejo y retrolavado local.

Respuesta en condiciones poco convencionales La siguiente tabla muestra los principales problemas detectados en la filtración de las aguas residuales y las medidas de control más efectivas. Debido a que estos problemas pueden afectar tanto al rendimiento como al funcionamiento de un sistema de filtros, se debe prestar especial atención durante su diseño para contar con las instalaciones necesarias que minimicen cualquier posible impacto. Si se filtra un efluente secundario con flóculos biológicos residuales, los filtros semicontinuos deben retrolavarse al menos una vez cada 24 h para evitar la formación de bolas de barro y la acumulación de grasa. En la mayoría de los casos, la frecuencia del retrolavado será mayor.

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18 Resumen de problemas más comunes en la filtración en profundidad de aguas residuales y medidas de control para dichos problemas

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19 (Eddy, 1999)

Problema

Descripción/Control

Turbidez avanzada

Se registran niveles de turbidez inaceptables en el efluente procedente del filtro, incluso cuando el tope de pérdida de carga no se ha alcanzado. Para controlar el aumento de los niveles de turbidez en el efluente, se ha recurrido a productos químicos y polímeros. La cantidad de estos que se puede emplear en cada caso debe determinarse mediante pruebas.

Las bolas de barro aparecen debido a la aglomeración de flóculos biológicos y suciedad en el medio filtrante. Si estas bolas no se eliminan, pueden formar grandes masas que se infiltran en el lecho y reducen la efectividad de los procesos de filtrado y lavado. La formación de estas bolas puede controlarse mediante procesos de lavado adicionales como el lavado con aire o de la superficie del agua, pero siempre acompañados o seguidos de un lavado con agua final.

La acumulación de grasa emulsionada en el lecho del filtro aumenta la pérdida de carga y reduce por tanto la vida del filtro. Tanto el sistema de lavado con aire como el de la superficie del agua ayudan a controlar la acumulación de grasa. En casos extremos, puede ser necesario recurrir a una limpieza con vapor del lecho o instalar un sistema de lavado especial.

Si el lecho del filtro no se limpia debidamente, los granos del medio filtrante formarán una lámina. Conforme el filtro se comprime, aparecen grietas a los lados y, a la larga, pueden aparecer bolas de barro. Este problema se puede controlar con un buen retrolavado y lavado de arrastre.

Con el tiempo, parte del material del filtro puede desaparecer durante el retrolavado y por el desagüe inferior (si la gravilla se ha visto alterada o el sistema de desagüe no está bien colocado). Esta desaparición de material puede minimizarse si se colocan correctamente las artesas de retrolavado y los sistemas de desagüe. El uso de deflectores especiales es también una buena opción.

En función de las características del flóculo biológico, los granos del material del filtro pueden pegarse a ellos dando lugar a agregados lo suficientemente ligeros como para hacer que floten durante el retrolavado.

Esto se puede minimizar incorporando un sistema auxiliar de lavado con aire o agua.

Estos montones aparecen cuando varias capas de la gravilla de apoyo se ven alteradas por ritmos de flujo excesivos o por cargas de choque hidráulico o de aire incontroladas durante el retrolavado. Para evitar que el desagüe falla, lo mejor es sustituir el material del filtro y la gravilla de apoyo. Existen otras medidas que se podrían aplicar en este caso pero que aún no han sido analizadas a fondo, como es el uso de una capa de apoyo de material de gran densidad como la ilmenita o el granate.

Formación de bolas de barro

Acumulación de grasa emulsionada

Aparición de grietas y contracción del lecho Desaparición del medio del filtro (mecánica)

Desaparición del medio del filtro (funcionamiento)

Montones de gravilla

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20 2.5.1.2 Filtración superficial En la filtración superficial el material en suspensión se elimina al sobrepasar una superficie como una capa no muy ancha, esto es, el material del filtro. Los filtros superficiales con medios de tela cuentan con aberturas de entre 10 y 30 μm o más. En los filtros de membrana el tamaño de los poros puede variar de 0,0001 a 1,0 μm. La filtración superficial se utiliza para eliminar los sólidos en suspensión de los residuos procedentes de los efluentes secundarios y de los efluentes de estanques de estabilización.

Los dos tipos de dispositivos de filtración superficial con medio de tela son el filtro de disco (FD) y el filtro de disco de tela (FDT).

El filtro de disco (FD) El FD consta de una serie de discos colocados vertical y paralelamente que se utilizan para apoyar la tela del filtro. Cada disco está conectado a un tubo de alimentación central. Se pueden utilizar dos tipos de material en la criba de tela con dimensiones diferentes: el poliéster o acero inoxidable del tipo 316.

Esquema ilustrativo del FD

(Eddy, 1999) Colector de pulverización de alta presión · Los sólidos desplazados por la pulverización del retrolavado se recogen en la artesa de retrolavado · Artesa de agua retrolavada · Agua sin filtrar · Nivel de agua dentro del disco · Nivel de agua fuera del disco · Discos del filtro · El agua filtrada fluye fuera de la criba · Efluente

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21 A nivel de funcionamiento, el agua entra a través de un canal central y fluye hacia el exterior a través de la tela de filtro. Durante su funcionamiento, entre el 60 y el 70 % de la superficie del FD está sumergido y el disco gira, en función de la pérdida de carga, entre 1 y 8,5 r/min. El FD puede funcionar de manera intermitente o continua (con retrolavado). Cuando funciona de manera continua (con retrolavado), los discos producirán agua filtrada y llevarán a cabo el retrolavado simultáneamente. Al comienzo de una rotación, el agua entra por el tubo de alimentación central desde donde se distribuye a los discos. Mientras el filtro de disco está sumergido, el agua y las partículas más pequeñas traspasan las aberturas de la criba de tela y van a parar al canal de recogida del efluente. Las partículas de mayor tamaño quedan retenidas en la criba.

El ritmo de carga hidráulico típico para un filtro de disco puede variar entre 0,25-1 m3/m2_min, donde el m2 se corresponde con la superficie de tela del filtro sumergida.

Representación en 3D de un filtro de disco

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Instalación de un filtro de disco

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23 El filtro de disco con medio de tela (FDT) El FDT, tal y como se muestra en la figura, consta también de varios discos montados verticalmente en un tanque, pero a diferencia del FD, la trayectoria de flujo de este es en dirección opuesta, desde el exterior al interior de la tela. Se pueden utilizar dos tipos de telas: (1) una tela de fieltro de aguja, hecha de poliéster o (2) una tela de pelo sintético.

Esquema de un filtro de disco de tela Colector de pulverización-lavado de alta presión

Canal de desagüe Canal del efluente

Transmisión

Discos del filtro

Válvulas de retrolavado

Válvula de sedimentos Bomba de retrolavado

Colector de retrolavado

Panel de control

(Eddy, 1999)

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24 A nivel de funcionamiento, el agua entra en el tanque de alimentación y fluye a través de la tela del filtro hasta llegar a un tubo o depósito de recolección central. El agua filtrada resultante se deposita en un tubo central o depósito donde fluye hasta ser vertida en una presa o desagüe en el canal del efluente. Los sólidos se acumulan en el medio de tela y esto hace que los fluidos encuentren una mayor resistencia o que la pérdida de carga aumente. Cuando la pérdida de carga a través de la tela alcanza cierto nivel, se procede al retrolavado de los discos. Tras filtrar para eliminar los residuos del ciclo de retrolavado, el filtro vuelve a funcionar.

Durante su funcionamiento, toda la superficie del FDT está completamente sumergida y el disco rota, tan solo en el retrolavado, a un ritmo de 1 r/min. El ritmo de carga hidráulico típico para un filtro de disco de tela puede variar entre 0,1-0,3 m3/m2_min, donde el m2 se corresponde con la superficie de tela del filtro.

Un filtro de disco con medio de tela

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Representación en 3D de un filtro de disco de tela

Discos · Motor de transmisión · Puerto del efluente · Presa del influente · Colector de recolección de sólidos · Válvula de retrolavado · Bomba de sólidos del retrolavado · Sistema de control de CLP · Zapata de retrolavado

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26 2.5.1.3 Filtración por membranas En la filtración por membranas, el material en suspensión se elimina al filtrarse por una fina membrana de apoyo. Estos filtros se consideran también dispositivos de filtración superficiales, pero se diferencian por el tamaño de los poros en el medio del filtro. El tamaño de los poros puede oscilar entre 0,0001 y 1,0 μm.

El influente que se dirige al módulo de la membrana se conoce como torrente de alimentación. El líquido que pasa a través de la membrana semipermeable se conoce como permeado o torrente permeado, el líquido que contiene los elementos retenidos se conoce como concentrado, retenido, fase de contención o torrente residual. El ritmo al que fluye el permeado a través de la membrana se conoce como tasa de flujo, la cual se suele expresar en kg/m2_d.

Las siguientes categorías se corresponden con los diferentes procesos de la membrana: •

Microfiltración (MF)

•

Ultrafiltración (UF)

•

Nanofiltración (NF)

•

Ósmosis inversa (OI)

•

Diálisis y electrodiálisis (ED)

Estos procesos pueden clasificarse de varias formas: (1) Según el tipo de material de la membrana.

(2) Según la naturaleza de la fuerza de cizallamiento.

(3) Según el mecanismo de separación (4) Según el tamaño nominal de separación conseguido.

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27 Terminología empleada en los procesos de las membranas

(Eddy, 1999)

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28 Término

Descripción

Coeficiente de transferencia de masas (CTM) Concentrado, retenido, fase de contención o torrente residual Conjunto o tren Conjuntos de sistemas

Unidad de masa o volumen que se transfiere a través de la membrana y se basa en la fuerza de cizallamiento.

Elemento de la membrana Ensuciamiento

Exclusión por tamaño Flujo Incrustación Ión de rechazo Lumen Módulo

Permeado, producto y torrente permeado Peso molecular nominal límite (PMNL) Plataforma o panel Recipiente a presión Recipiente o reactor de membrana sumergido Salmuera Soluto Solvente Torrente de alimentación o agua entrante Tren o conjunto

Parte del torrente de alimentación que no traspasa la membrana y contiene un TSD superior al del torrente de alimentación.

Múltiples fases interconectadas en serie.

Número de conjuntos o trenes necesarios para producir el flujo requerido en cada lanta.

Unidad de la membrana que contiene un conjunto de membranas de fibra fina hueca o en espiral que proporciona una superficie nominal.

Sedimentación de material sólido existente en el elemento del torrente de alimentación de la membrana. Puede ser tato reversible como irreversible.

Eliminación de partículas tras el cribado.

Ritmo de transferencia de masa o volumen a través de la superficie de la membrana.

Precipitación de sólidos en el elemento debido a la concentración de soluto en el torrente de alimentación de la membrana.

Porcentaje de reducción de la concentración de soluto en el torrente permeado con respecto al torrente de alimentación.

Interior de una membrana de fibra hueca.

Unidad completa que consta de membranas, estructura de soporte de presión para las membranas, entrada y salida de alimentación, puertos de permeado y retenido y estructura de soporte global.

Parte del torrente de alimentación que traspasa la membrana y contiene un TSD inferior al del torrente de alimentación.

Peso molecular del material más pequeño rechazado por la membrana, expresado generalmente en daltons (Da).

Recipientes a presión dispuestos en paralelo.

Tubo simple que contiene varios elementos de la membrana en serie.

Los elementos de la membrana están sumergidos en un reactor abierto.

Torrente residual con un TSS superior a 36.000 mg/L. Elementos disueltos (TDS) en torrentes no tratados, de alimentación, permeado y concentrados.

Líquido que contiene elementos disueltos (TSD). Normalmente es el agua.

Torrente de entrada hacia el conjunto de membranas.

Múltiples fases interconectadas en serie.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

Características generales de los procesos de la membrana

29

(Eddy, 1999) Proceso de la membrana

Microfiltración

Ultrafiltración

Nanofiltración

Fuerza de cizallamiento de la membrana Diferencia de presión hidrostática o aspiración en recipientes abiertos Diferencia de presión hidrostática

Diferencia de presión hidrostática

Mecanismo de separación común

Estructura operativa

Rango operativo común (µm) 0,08-2,0

Descripción del permeado

Elementos comunes eliminados

Agua + soluto disuelto

TSS, turbidez, quistes y ooquistes protozoarios, algunas bacterias y virus Macromoléculas, coloides, mayor parte de las bacterias, algunos virus y proteínas Moléculas pequeñas, algunas durezas, sulfatos, nitratos, sodio y otros iones

Cribado

Macroporos (>50 nm)

Cribado

Mesoporos (2-50 nm)

0,005-0,2

Agua + moléculas pequeñas

Cribado + solución/difusión + exclusión

Microporos (<2nm)

0,0010,01

Agua + moléculas muy pequeñas, solutos iónicos

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30

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Ósmosis inversa

Diferencia de presión hidrostática

Solución/difusión + exclusión

Densa (<2 nm)

0,00010,001

Diálisis

Diferencia de concentración

Difusión

Mesoporos (2-50 nm)

-

Electrodiálisis

Fuerza electromotriz

Intercambio iónico con membranas selectivas

Microporos (<2 nm)

-

NIRAS VOLUMEN 2 [2.5] Agua + moléculas muy pequeñas, solutos iónicos Agua + moléculas pequeñas

Agua + solutos iónicos

Moléculas pequeñas, colores, durezas, sulfatos, nitratos, sodio y otros iones Macromoléculas, coloides, mayor parte de las bacterias, algunos virus y proteínas Iones de sal ionizados

Las membranas utilizadas para el tratamiento de aguas y de aguas residuales suelen constar de una fina capa con un espesor de aproximadamente 0,20-0,25 mm. Además, se apoyan sobre una estructura más porosa de aproximadamente 100 mm de espesor. La mayoría de las membranas comerciales se fabrican como hojas planas de finas fibras huecas o de forma tubular. Las hojas planas son de dos tipos: asimétricas y compuestas. Las membranas asimétricas se crean en un solo proceso y constan de una capa muy fina (< 1 mm) y una capa porosa más gruesa (hasta 100 mm) que proporciona un mayor soporte y es capaz de filtrar grandes flujos de agua. Las membranas compuestas de película fina (MCPF) surgen de la unión de una fina capa de acetato de celulosa, poliamida u otra capa activa (de unos 0,15-0,25 mm de espesor) con un sustrato poroso más grueso, que proporciona estabilidad. Las membranas se pueden fabricar con diversos materiales orgánicos e inorgánicos. En el tratamiento de aguas residuales se suelen emplear las de tipo orgánico. Entre las más utilizadas destacan las de polipropileno, acetato de celulosa, poliamidas aromáticas y MCPF.

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31

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

Comparación del tamaño de los componentes o elementos encontrados en las aguas residuales y los rangos de tamaño operativos de las tecnologías de membranas. Asimismo, se muestra el rango de tamaño operativo de la filtración en profundidad y superficial

(Eddy, 1999) {Material disuelto, coloidal y en suspensión encontrado en aguas residuales no tratadas} Sales acuosas Ácidos húmicos Material coloidal

Quistes de Giardia lamblia

Virus

Ooquistes de Cryptosporidium

Pequeños monómeros orgánicos, azúcares, pesticidas y herbicidas Células bacterianas · Fragmentos de células y restos Sólidos sedimentables Rango para la prueba del TSS Filtración en profundidad convencional Filtración superficial {Rango operativo de procesos de separación de membranas} Microfiltración (MF) Ultrafiltración (UF) Nanofiltración (NF) Ósmosis inversa (OI)

Tamaño de las partículas (en µm)

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

32 Estos son los principales tipos de módulos de membrana que se emplean en el tratamiento de aguas residuales: (1) Tubular.

(2) Fibra hueca.

(3) En espiral.

En la configuración tubular, la membrana se coloca en el interior de un tubo de soporte. Tras esto, se colocan varios tubos (individualmente o atados) en un recipiente a presión adecuado. El agua entrante se bombea a través del tubo de alimentación y el agua resultante se recoge en el exterior de los tubos. El concentrado sigue fluyendo a través del tubo de alimentación. Estas unidades se utilizan generalmente con el agua que contiene un alto contenido de sólidos en suspensión o con un alto el potencial de taponamiento. Además, conviene destacar que las unidades tubulares son los más fáciles de limpiar, lo cual se consigue al hacer circular productos químicos y bombear una bola de espuma o esponja para limpiar el mecanismo de la membrana.

En cuanto a su precio, las membranas tubulares suelen ser caras.

Configuración tubular

El módulo de membrana de fibra hueca consta de un haz de cientos a miles de fibras huecas.

Todo el conjunto se inserta en un recipiente a presión. La alimentación se puede dirigir al interior de la fibra (flujo dentro-afuera) o al exterior de la fibra (flujo afuera-adentro).

Membrana de fibra hueca

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

33

En la membrana en espiral, se coloca un separador permeado y flexible entre dos hojas planas de membrana. Las membranas se sellan por tres lados, mientras que el lado abierto queda unido a un tubo perforado. Se incorpora un separador de alimentación flexible y las hojas planas se enrollan en una apretada configuración circular. Las MCPF se utilizan sobre todo en los módulos de membrana en espiral. El término espiral se debe a que el flujo en la disposición enrollada de las membranas y placas de soporte sigue un patrón de flujo en espiral.

Los modos de filtración se pueden dividir en dos tipos: filtración tangencial y filtración en línea.

Estos dependen de la dirección del flujo en la superficie de la membrana, tal y como se muestra en la siguiente figura.

Filtración tangencial y filtración en línea

Alimentación Permeado

Capa de pastel Medio del filtro

Alimentación Permeado

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

34 En la filtración tangencial, el flujo de alimentación es paralelo a la superficie filtrante con el fin de generar una tensión de cizallamiento que permite limpiar la superficie. Se necesita energía adicional para general el llamado flujo tangencial, lo que no supone un problema ya que el espesor de la capa de pastel se puede controlar. Puede darse un estado casi constante en el que la limpieza y la deposición de partículas llegan a un equilibrio, de modo que la capa de pastel apenas aumenta. Este modo de filtración es muy efectivo cuando el agua entrante contiene un elevado número de desechos tales como sólidos en suspensión y macromoléculas. Todos los procesos de los biorreactores de membranas (BRM) y la filtración de aguas residuales están incorporando este tipo de filtración tangencial. Los sistemas de filtración con biorreactores de membranas de torrente lateral (BRMTL) y biorreactores de membranas sumergidos (BRMS) que se muestran aquí se basan en la denominada filtración tangencial.

En la filtración lineal, el flujo es perpendicular al medio filtrante. Todas las partículas que se pueden filtrar se depositan en la superficie del filtro. Dado que la filtración no es sostenible si no se retiran los sólidos acumulados, se realiza un lavado periódicamente o incluso se sustituye el medio del filtro. Este modo de filtración es muy eficaz cuando el agua entrante contiene poca suciedad. Entre las medidas adoptadas que están incluyendo este modo de filtración se encuentran muchas filtraciones de agua superficial, el tratamiento previo del agua salada con OI y las filtraciones terciarias.

Elementos y módulos comúnmente utilizados en las aplicaciones de la membrana: (a) membrana de fibra hueca tubular simple; (b) haz de membranas de fibra hueca tubular; (c) haz de membranas de fibra hueca fina con flujo desde el exterior hacia el interior de la fibra; (d) vista de un conjunto de membranas de fibra hueca fina expuesto; (e) haz de membranas de fibra hueca fina con flujo desde el interior hacia el exterior de la fibra; (f) haces de membranas de fibra hueca fina colocados en un recipiente a presión; (g) corte transversal de un módulo de MCPF en espiral; (h) sección de un módulo de MCPF en espiral; (i) recipiente a presión que contiene 3 módulos de MCPF en espiral y en serie; (j) instalación típica de recipientes a presión de ósmosis inversa que contienen 6 módulos de MCPF en espiral y en serie.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

35 Membrana tubular simple Espacio anular para el flujo

Membranas tubulares Malla de plástico separadora del flujo

Permeado (agua repurificada) Placa terminal (producto) Bloque de apoyo poroso Anillo en O Fibras huecas Criba del flujo Tubo de alimentación Bloque deflector epoxídico Placa terminal (entrada) Agua entrante Concentrado

(Eddy, 1999) Agua entrante · Concentrado · Permeado (ej. agua repurificada)

Agua entrante · Haces de fibra · Permeado (agua producida) · Recipiente a presión · Concentrado

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

36

(g) Salida del permeado (ej. agua repurificada) Separador del permeado Membrana

(h) Flujo del permeado Tubo de recogida del permeado Separador del agua entrante Separador del permeado Las flechas indican el flujo del permeado

(i) Salida del permeado Recipiente a presión Salida del concentrado Cierres de la salmuera Interconector de módulos Agua entrante

(Eddy, 1999)

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

37 El funcionamiento de los procesos de membrana es bastante simple. Se utiliza una bomba para presurizar la solución entrante y distribuirla a través del módulo, así como una válvula para mantener la presión del concentrado. En lo que respecta al permeado, este se suele retirar a presión atmosférica. Debido a que los elementos que hay en el agua entrante se acumulan en las membranas (ensuciamiento de la membrana), la presión aumenta en el lado de alimentación, el flujo de membrana comienza a disminuir y el porcentaje de material rechazo también comienza a disminuir. Cuando el rendimiento ha alcanzado un nivel muy bajo, los módulos de membrana se someten a un retrolavado o se limpian químicamente.

La siguiente figura muestra las tres configuraciones de los procesos que se utilizan en las unidades de microfiltración y ultrafiltración:

Modos operativos comunes en los procesos de membranas por MF y UF: (a) flujo tangencial; (b) flujo tangencial con depósito y (c) entrada directa

(a) y (b) Desechos y residuos del retrolavado · Bucle de recirculación · Agua sin tratar · Bomba de alimentación · Criba o filtro · Bomba de recirculación · Filtro con membrana · Permeado · Retrolavado con aire o líquido

(c) Agua sin tratar · Bomba del influente · Criba o filtro · Bomba de alimentación · Filtro con membrana · Desechos y residuos del retrolavado · Permeado · Retrolavado con aire o líquido

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

38 Ósmosis inversa Cuando dos soluciones con diferentes concentraciones de soluto están separadas por una membrana semipermeable, surgirá una diferencia en el potencial químico a través de la membrana. El agua tenderá a traspasar la membrana desde el lado con una concentración menor (mayor potencial) hasta el lado de mayor concentración (menor potencial). En un sistema con un volumen finito, el flujo continúa hasta que la diferencia de presión equilibra o ajusta la diferencia de potencial químico. Esta diferencia de presión de equilibrio se denomina presión osmótica y es una función de las características del soluto, la concentración y la temperatura. Si se impone un gradiente de presión opuesto en dirección y superior a la presión osmótica a través de la membrana, el flujo cambiará desde el lado con una mayor concentración al menor, lo que se conoce como ósmosis inversa.

Esquema del flujo osmótico: (a) flujo osmótico; (b) equilibrio osmótico y (c) ósmosis inversa

(Eddy, 1999) (a) Membrana · Dulce > Salada · Ósmosis (b) Membrana · Dulce > Salada · Equilibrio · Presión osmótica (c) Membrana · Dulce > Salada · Ósmosis inversa · Presión aplicada

Presión · Membrana semipermeable · Agua salada > Agua dulce

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

39

Elemento de membranas en la ósmosis inversa en un recipiente a presión AGUA ENTRANTE SALADA Separador de salmuera Refuerzo de tela Tricot plastificado (las ranuras del tricot crean un flujo en espiral de agua desalada hacia el tubo de salida en el centro del recipiente) Sellador (la membrana está sellada en tres lados para formar una envoltura) Armazón de fibra de vidrio de la membrana (recubre la membrana) CONCENTRADO (agua salada sobrante que no ha traspasado la membrana) AGUA DESALADA Recipiente a presión de fibra de vidrio (para contener el elemento) Molde de la membrana antisal (recubre el refuerzo de tela para permitir que las moléculas de agua pasen) Tubo de salida del agua desalada

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40

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Planta pequeña de ósmosis inversa

NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

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41 Planta grande de ósmosis inversa

NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

42 La siguiente tabla muestra las aplicaciones comunes para las tecnologías de membranas en el tratamiento de aguas residuales: Aplicaciones comunes para las tecnologías de membranas en el tratamiento de aguas residuales

(Eddy, 1999)

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

43

Aplicaciones Tratamiento biológico aerobio

Tratamiento biológico anaerobio Tratamiento biológico de aireación de membrana

Tratamiento biológico de extracción por membranas Tratamiento previo para una desinfección efectiva

Tratamiento previo para nanofiltración y ósmosis inversa Reutilización de efluentes

Moderación de las aguas residuales Reutilización de efluentes

Dispersión de efluentes

Tratamiento en dos fases para uso en calentadores

Descripción Microfiltración y ultrafiltración La membrana se utiliza para separar las aguas residuales tratadas de la biomasa activa en el proceso de depuración biológica por fangos activos. La unidad de separación de membrana puede ser interior (sumergida en el biorreactor) o exterior al biorreactor. Dichos procesos se conocen como procesos de los biorreactores de membranas (BRM).

La membrana se utiliza para separar las aguas residuales tratadas de la biomasa activa en un reactor de mezcla completa.

Las membranas de placa, armazón, tubulares y huecas se utilizan para transferir oxígeno puro a la biomasa adherida al exterior de la membrana.

Dichos procesos se conocen como procesos de biorreactores de aireación de membranas (BRAM).

Las membranas se utilizan para extraer las moléculas orgánicas degradables de elementos inorgánicos como ácidos, bases y sales del torrente residual para su posterior tratamiento biológico. Dichos procesos se conocen como procesos de biorreactores de membranas de extracción (BRME).

Utilizado para eliminar los sólidos residuales en suspensión del efluente sedimentado secundario o del efluente de los filtros superficiales o de profundidad. Se pretende conseguir una desinfección efectiva ya sea con cloro o radiación ultravioleta para reutilizar aplicaciones.

Los microfiltros se utilizan para eliminar los coloides y sólidos en suspensión residuales como tratamiento previo a un proceso adicional.

Nanofiltración Utilizada para tratar el efluente ya filtrado (generalmente con microfiltración) para aplicaciones de reutilización potable indirecta como inyecciones subterráneas. Cuando se utiliza la nanofiltración, la desinfección gana cierto crédito.

Utilizada para reducir la concentración de iones polivalentes que contribuyen a la dureza para aplicaciones específicas de reutilización. Ósmosis inversa Utilizada para tratar el efluente ya filtrado (generalmente con microfiltración) para aplicaciones de reutilización potable indirecta como inyecciones subterráneas. Cuando se utiliza la nanofiltración, la desinfección gana cierto crédito.

Los procesos de ósmosis inversa han demostrado ser efectivos en la eliminación de cantidades considerables de compuestos tales como la Nnitrosodimetilamina.

Se utiliza la ósmosis inversa en dos fases para producir agua apta para calentadores de altas presiones.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

44 Ventajas y desventajas de las tecnologías de tratamiento con membranas

(Eddy, 1999)

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

45 Ventajas

Desventajas Microfiltración y ultrafiltración

• Pueden reducir la cantidad de productos • Usan más electricidad. Los sistemas de altas químicos utilizados en el tratamiento.

presiones pueden requerir mucha energía.

• Se requiere un espacio útil menor. El • Se necesita un tratamiento previo para conjunto de instalaciones y materiales de las

prevenir el ensuciamiento. Las instalaciones

membranas requiere de un espacio menor

necesarias para dicho tratamiento implican

(50-80 %) que una planta convencional.

mayor espacio y costes más elevados.

• Se requiere menos mano de obra ya que se • Se hace necesario tratar los residuos y puede automatizar todo fácilmente.

deshacerse del concentrado.

• Los nuevos diseños de las membranas • Las membranas deben cambiarse cada 3 o permiten usar menos presión. El coste del

5 años.

sistema resulta competitivo comparado con • La formación de residuos en escala puede los procesos de tratamiento de aguas

ser un grave problema. El potencial de

residuales convencionales.

formación de dichos residuos dificulta que se

• Se eliminan quistes y ooquistes protozoarios y huevos de helmintos. Se pueden eliminar

establezcan ciertas pautas sin pruebas de campo.

• El ritmo del flujo desciende de manera

algunas bacterias y virus.

gradual con el paso del tiempo. La tasa de recuperación nunca llegará a ser del 100 %.

• No se dispone de un método fiable de bajo coste para supervisar el rendimiento. Ósmosis inversa • Elimina los elementos disueltos.

• Funciona mejor con las aguas subterráneas,

• Desinfecta el agua tratada.

las aguas superficiales con pocos sólidos o

• Elimina la N-nitrosodimetilamina así como

los efluentes de aguas residuales tratados

otros compuestos orgánicos similares.

• Elimina

la

materia

orgánica

natural • No se dispone de un método fiable de bajo

(precursor de subproductos de desinfección) y materia inorgánica.

previamente.

coste para supervisar el rendimiento.

• Se hace necesario tratar los residuos y deshacerse del concentrado.

• Es muy cara en comparación con el tratamiento convencional.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

46 Funcionamiento y mantenimiento Ensuciamiento de la membrana El ensuciamiento hace referencia a la deposición y acumulación potencial de ciertos elementos del torrente de alimentación en la membrana. Este aspecto debe tenerse en cuenta en el diseño y uso de los sistemas de membrana ya que afecta al tratamiento previo, la limpieza, el funcionamiento, los costes y el rendimiento. La siguiente tabla recoge los elementos de las aguas residuales que pueden provocar el ensuciamiento de la membrana. Este puede darse de tres formas: (1) Aumento de los elementos del agua entrante en la superficie de la membrana.

(2) Formación de precipitados químicos debido a la química del agua entrante.

(3) Daño a la membrana debido a la presencia de sustancias químicas que pueden reaccionar con esta o a agentes biológicos que pueden colonizar la membrana.

Elementos de las aguas residuales que pueden afectar el rendimiento de las membranas a través del mecanismo de ensuciamiento

(Eddy, 1999)

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

47

Tipo de ensuciamiento de

Elementos o componentes

la membrana

responsables

Ensuciamiento (formación en

Óxidos metálicos

El daño causado a las

capas de pastel identificado

Coloides orgánicos e

membranas se puede reducir

como formación de

inorgánicos

mediante el control de estas

biopelículas)

Bacterias

sustancias. Un ejemplo sería

Microorganismos

recurrir a la microfiltración

Polarización de la concentración

antes de la ósmosis inversa.

Sulfato de calcio

La incrustación se puede

Carbonato de calcio

reducir limitando la sal,

Fluoruro de calcio

añadiendo ácidos para limitar

Sulfato de bario

la formación de carbonato de

Formación de óxidos metálicos

calcio y mediante otros

Sílice

tratamientos químicos como

Incrustación (precipitación)

Observaciones

antiincrustantes.

Daño a la membrana

Ácidos

El control de las sustancias

Bases

anteriores previene cualquier

pH extremo

daño a la membrana. El daño

Cloro libre

será mayor o menor en función

Bacterias

de la naturaleza de la

Oxígeno libre

membrana.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

48 Cuando tiene lugar la nanofiltración o el proceso de ósmosis inversa, se deben tener en cuenta las siguientes opciones de tratamiento previo:

1. Tratamiento previo de un efluente secundario mediante tratamiento completo, filtración directa o filtración de contacto. También mediante microfiltración o por ultrafiltración para eliminar residuos como los sólidos en suspensión y el material coloidal.

2. Uso de filtros de cartucho con poros de entre 5 y 10 mm para reducir los sólidos residuales en suspensión.

3. Para reducir la actividad bacteriana es conveniente desinfectar el agua entrante utilizando cloro, ozono o radiación ultravioleta.

4. Se deberá prescindir del oxígeno para evitar la oxidación del hierro, el manganeso y el sulfuro de hidrógeno.

5. Dependiendo del tipo de membrana, será necesario eliminar el cloro (con bisulfito de sodio) y el ozono.

6. En algunos casos será necesario eliminar el hierro y manganeso para disminuir el potencial de incrustación.

7. Para evitar la formación de incrustaciones, se debe ajustar el pH del torrente de alimentación (generalmente con ácido sulfúrico) en un rango de 4,0 a 7,5.

8. Es necesario hacer una limpieza química periódica (mensual) de los elementos de la membrana para restaurar el flujo.

En la limpieza semanal de la mayoría de los BRM, que dura de 30 a 60 min, se emplean productos químicos. Cuando la filtración no es eficaz, se procede a una limpieza de recuperación que tiene lugar una o dos veces al año. Si un depósito no se puede eliminar mediante los métodos disponibles de limpieza, se habla entonces de ensuciamiento irrecuperable. Este ensuciamiento se acumula con los años debido al funcionamiento y, a la larga, determina la vida de la membrana. Todas las tareas de operación y mantenimiento deben realizarlas trabajadores cualificados.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

49 Respuesta en condiciones poco convencionales

Control del ensuciamiento de la membrana Cuando una membrana se ensucia, se suele recurrir a una de estas tres opciones: (1) Tratamiento previo del agua entrante.

(2) Retrolavado de la membrana.

(3) Limpieza química de la membrana.

El tratamiento previo se utiliza para reducir el TSS y el contenido bacteriano del agua de alimentación, la cual estará condicionada químicamente para limitar la precipitación química dentro de las unidades. El método más utilizado para eliminar el material acumulado en la superficie de la membrana es el retrolavado con agua o aire. El tratamiento químico se utiliza para eliminar los elementos o componentes que no han sido eliminados durante el retrolavado convencional. Los precipitados químicos se pueden eliminar mediante la alteración química del agua de alimentación y mediante tratamiento químico. Una vez que los elementos nocivos han causado daños en la membrana, resulta prácticamente imposible revertir dicho daño.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

50

2.5.2 ADSORCIÓN La adsorción es el proceso de eliminación de elementos orgánicos disueltos o de sustancias acumuladas que se encuentran en la solución en una interfaz adecuada. El adsorbato es la sustancia que se elimina del líquido mientras que el adsorbente es el la fase sólida, líquida o gaseosa en la que se acumula el adsorbato. En este capítulo solo se tratará el caso de la adsorción en la interfaz líquido-sólido, ya que es el único proceso que se desarrolla en una planta de tratamiento de aguas residuales.

Productos químicos

Carbón activado

Poros

El carbón activado adsorbe los productos químicos

Entre los principales tipos de adsorbentes se encuentran el carbón activado, los polímeros sintéticos y los adsorbentes con base de sílice. Sin embargo, conviene destacar que los polímeros sintéticos y adsorbentes con base de sílice rara vez se utilizan en la adsorción de aguas residuales debido a su alto coste. El carbón activado se suele utilizar en aplicaciones de tratamiento de aguas residuales avanzadas, de ahí que nos centremos a continuación en este material.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

51 Polvo de carbón activado con base de madera

El carbón activado se obtiene tras carbonizar materiales orgánicos como cáscaras de almendras, cocos y nueces, aunque también se han utilizado otros materiales como madera, huesos o carbón. Los restos carbonizados se consiguen tras calentar el material de base a altas temperaturas (menos de 700 °C) en una retorta para separar los hidrocarburos. Mientras tanto, se debe aportar un suministro insuficiente de oxígeno para mantener la combustión. La carbonización o proceso de carbonizado se considera un proceso de pirólisis.

Diagrama de producción del carbón activado

Materiales

naturales

(cáscaras)

>

MACHACADORA > Material machacado y clasificado > SECADORA > Humedad · Material

seco

>

UNIDAD

DE

CARBONIZACIÓN > Producto destilado · Material

carbonizado

>

UNIDAD

DE

ACTIVACIÓN > Gases (H2, CO, CO2) > Carbón

activado

>

MACHACADORA

>

Carbón activado en polvo / MÁQUINA GIRATORIA > Carbón activado granular

Agua > CALENTADOR > Vapor > […]

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

52 La partícula carbonizada se activa al ser expuesta a gases oxidantes tales como el vapor y el CO2 a altas temperaturas, en un intervalo de 800 a 900 ºC. Estos gases desarrollan una estructura porosa en el carbón y por lo tanto crean una gran área de superficie interna.

Tras la activación, el carbón se puede preparar o separar en varios tamaños con diferente capacidad de adsorción. Las dos clasificaciones por tamaños son el carbón activado en polvo (CAP), con un diámetro inferior a 0,074 mm (criba de 200) y una mejor capacidad de adsorción, y el carbón activado granular (CAG), con un diámetro superior a 0,1 mm (criba de ~140).

La aplicación económica del carbón activado depende de un medio eficaz para regenerar y reactivar el carbón una vez haya alcanzado la capacidad de adsorción.

La regeneración hace referencia a todos los procesos que se utilizan para recuperar la capacidad de adsorción del carbón gastado, sin incluir la reactivación, entre los que se incluyen:

(1) Productos químicos para oxidar el material adsorbido.

(2) Vapor para eliminar el material adsorbido.

(3) Disolventes.

(4) Procesos de conversión biológica.

Generalmente, parte de la capacidad de adsorción del carbón (aproximadamente del 4 al 10 %) se pierde también en el proceso de regeneración, dependiendo de los compuestos que se adsorben y del método de regeneración utilizado.

La reactivación del carbón granular implica el mismo proceso utilizado para la creación del carbón activado a partir de material virgen. El carbón gastado se reactiva en un horno mediante la oxidación de la materia orgánica adsorbida y, de este modo, se consigue eliminar esta de la superficie del carbón. En la reactivación del carbón activado gastado se dan los siguientes pasos:

(1) El carbón se calienta para eliminar el material orgánico absorbido (adsorbato).

(2) En el proceso de eliminación del material absorbido se forman algunos compuestos nuevos que permanecen en la superficie del carbón.

(3) El último paso del proceso de reactivación consiste en quemar los nuevos compuestos formados tras la quema del material absorbido.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

53 Con un buen control del proceso se conseguirá que la capacidad de adsorción del carbón reactivado sea la misma que la del carbón virgen.

Aplicaciones La adsorción del carbón se utiliza principalmente para eliminar los compuestos orgánicos refractarios, así como los residuos de compuestos inorgánicos tales como el nitrógeno, los sulfuros y los metales pesados. Otra aplicación importante es la eliminación de compuestos con olor de las aguas residuales, especialmente en aplicaciones de reutilización.

Adsorción de compuestos orgánicos

(Eddy, 1999)

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

54 Compuestos orgánicos que son adsorbidos

Compuestos orgánicos que no son

fácilmente

adsorbidos fácilmente

Disolventes aromáticos

Cetonas de bajo peso molecular, ácidos y

Benceno

aldehídos

Tolueno

Azúcares y almidones

Nitrobencenos

Compuestos orgánicos coloidales o con gran

Aromáticos clorados Policlorobifenilos (PCB) Clorofenoles Aromáticos polinucleares Acenafteno Benzopirenos Pesticidas y herbicidas DDT Aldrín Clordano Atracina No aromáticos clorados Tetracloruro de carbono Éteres de cloroalquilo Tricloroetano Cloroformo Bromoformo Hidrocarburos de elevado peso molecular Tintes Gasolina Aminas Húmicos

peso molecular Alifáticos de bajo peso molecular

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

55 El tratamiento con carbón activado granular consiste en hacer pasar el líquido que se desea tratar a través de un lecho de carbón activado que se obtuvo en un reactor (denominado a veces ‘contactor’). Varios tipos de contactores de carbón activado se utilizan para el tratamiento avanzado de aguas residuales.

Los sistemas convencionales pueden ser a presión o de gravedad, y pueden ser unidades de flujo descendente o ascendente con lecho fijo y dos o tres columnas en serie, o de flujo ascendente a contracorriente con camas amplias.

Tipos de contactores de carbón activado: (a) de flujo descendente en serie; (b) de flujo descendente en paralelo; (c) de lecho móvil y (d) de flujo ascendente y expandidos en serie

(Eddy, 1999) Carbón activado granular (a) Entrada · Salida · De flujo descendente en serie (b) Entrada · Salida · De flujo descendente en paralelo Carbón activado granular (c) Salida · Entrada · Lecho móvil (d) Salida · Entrada · De flujo ascendente y expandidos en serie

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56

La siguiente figura muestra un contactor de carbón activado granular convencional. Se suelen usar filtros de medio granular a contracorriente de los contactores de carbón activado para eliminar los compuestos orgánicos asociados con los sólidos en suspensión presentes en el efluente secundario. El agua que se debe tratar se vierte por la parte superior de la columna y se expulsa por la parte inferior. El carbón se coloca con un sistema de drenaje inferior en la parte baja de la columna. Se suelen proporcionar ciertos suministros para el retrolavado y el lavado superficial en algunas aplicaciones de aguas residuales para limitar la acumulación de pérdida de carga debido a la eliminación de partículas de sólidos en suspensión dentro de la columna de carbón. Desafortunadamente, el frente de adsorción suele ser destruido por el retrolavado.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

57 Contactor de carbón activado convencional en un recipiente a presión Salida o emisión del lavado con aire

Entrada del carbón regenerado

Efluente del retrolavado

Influente de la columna de carbón

Parte superior del lecho de carbón

Entrada del lavado superficial

Agitador del lavado superficial

Boca del desagüe inferior Efluente de la Placa plena

columna de carbón

Drenaje del carbón

Salida del carbón

gastado

gastado

Placa de soporte pleno Influente del Área plena

retrolavado

Sumidero de la

Entrada del lavado

columna de carbón

con aire

(Eddy, 1999)

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58

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

Contactores convencionales de carbón activado granular

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

59 Contactores de carbón activado granular funcionando en paralelo y utilizados para tratar efluentes secundarios filtrados

(Eddy, 1999)

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

60 El carbón activado en polvo (CAP) se puede utilizar en los efluentes de procesos de tratamiento biológico, directamente en los diversos procesos de tratamiento biológico y en los diagramas de flujo del proceso de tratamiento físico-químico. En el caso de efluentes de plantas de tratamiento biológico, el CAP se añade al efluente en una cuenca de contacto. Tras cierto tiempo en contacto, se permite que el carbón se asiente en el fondo del tanque y, a continuación, se retira el agua tratada del depósito. Debido a que el carbón es muy fino, puede ser necesario recurrir a un coagulante (polielectrolito) que facilite la eliminación de las partículas de carbón o a la filtración rápida con arena. Se ha comprobado que añadir CAP directamente a la cubeta de aireación de un proceso de tratamiento de fangos activos es muy eficaz a la hora de eliminar varios elementos orgánicos refractarios solubles. En los procesos de tratamiento físico-químico, se usa el CAP junto con productos químicos utilizados para la precipitación de componentes específicos.

Ventajas y desventajas

Ventajas •

Fácil de instalar y mantener.

•

Se puede utilizar en el punto de uso.

•

Eficaz para eliminar ciertos compuestos orgánicos, cloro y radón.

•

Se basa en materiales disponibles en todas partes.

Desventajas •

Hay que reemplazar el filtro regularmente.

•

De vez en cuando se requiere mano de obra calificada.

•

Se debe analizar el agua para escoger el tipo de carbón activado más adecuado.

•

Los contaminantes se separan del agua, pero no son destruidos.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

61 Funcionamiento y mantenimiento Los filtros de carbón son relativamente fáciles de instalar y mantener, pero de vez en cuando requieren de mano de obra cualificada para supervisar su rendimiento y el proceso de eliminación.

Los filtros de carbón activado tienen una vida útil limitada. A largo plazo, sus superficies se saturan con contaminantes adsorbidos y no se realiza una purificación correcta. Por consiguiente, hay que reemplazar el material del filtro regularmente, según las instrucciones de cada fabricante.

Los intervalos para el reemplazo deben calcularse según el promedio diario de uso de las aguas residuales a través del filtro y la cantidad de contaminantes que se eliminan. La eliminación de los cartuchos depende del uso. Un cartucho de carbón puede ser retrolavado y luego reutilizado o desechado si se han adsorbido componentes no tóxicos.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

62

2.5.3 INTERCAMBIO IÓNICO El intercambio iónico es un proceso unitario en el que los iones de una especie determinada son desplazados de un material de intercambio insoluble por iones de una especie diferente en solución. El intercambio de iones se ha utilizado en aplicaciones de aguas residuales para la eliminación de nitrógeno, metales pesados y de sólidos totales disueltos.

Los procesos de intercambio iónico se pueden desarrollar de manera discontinua o continua. En un proceso discontinuo, se mezcla la resina con el agua que hay que tratar en un reactor hasta que la reacción se completa. La resina gastada se elimina por decantación y posteriormente se regenera y reutiliza. En un proceso continuo, el material de intercambio se coloca en un lecho o en una columna compacta y se hace pasar el agua sin tratar por ellos. Los intercambiadores de iones continuos son generalmente de flujo descendente, del tipo columna de lecho fijo. Las aguas residuales entran por la parte superior de la columna bajo presión, fluyen hacia abajo a través del lecho de resina y se expulsan por la parte inferior. Cuando se agota la capacidad de la resina, la columna se somete a un retrolavado para retirar los sólidos atrapados y se regenera entonces.

La siguiente figura muestra un ejemplo de reactor de intercambio iónico comercial.

Grandes columnas de lecho compacto con flujo descendente (Eddy, 1999)

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

63 Actualmente se utilizan cinco tipos de resinas sintéticas de intercambio iónico: (1) De cationes de acidez elevada.

(2) De cationes de acidez débil.

(3) De aniones de base elevada.

(4) De aniones de base débil.

(5) Resinas quelantes selectivas de metales pesados.

La mayoría de las resinas sintéticas de intercambio de iones se fabrican mediante un proceso en el que se copolimerizan estireno y divinilbenceno. El estireno actúa como la matriz básica de la resina y el divinilbenceno se utiliza para cruzar los polímeros y producir así una resina dura e insoluble. Entre las propiedades importantes de las resinas de intercambio de iones se incluyen la capacidad de intercambio, el tamaño de las partículas y la estabilidad. La capacidad de intercambio de una resina se define como la cantidad de un ión intercambiable que se puede tomar.

Para hacer que el intercambio iónico sea económico para el tratamiento avanzado de aguas residuales, sería conveniente utilizar regenerantes y restituyentes que eliminasen tanto los aniones inorgánicos como el material orgánico de la resina gastada. Entre los restituyentes químicos y físicos que han resultado idóneos para la eliminación de material orgánico de las resinas se incluyen el hidróxido de sodio, ácido clorhídrico, metanol y bentonita. Hasta la fecha, el intercambio iónico ha tenido una aplicación limitada debido al exhaustivo tratamiento previo y al complejo sistema de regeneración que se requiere, así como a la preocupación que hay sobre la vida útil de las resinas. Las altas concentraciones de sólidos totales en suspensión en el influente pueden conectar los lechos de intercambio iónico, lo que provocaría grandes pérdidas de carga y un funcionamiento ineficiente. La unión de resinas puede producirse por compuestos orgánicos residuales que se hallan en los efluentes de tratamiento biológico. Se requiere algún tipo de tratamiento químico y clarificación antes de que se produzca la desmineralización del intercambio iónico. Este problema se puede resolver parcialmente mediante la prefiltración de las aguas residuales o mediante el uso de resinas de intercambio residuales antes de usarlas en la columna de intercambio.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

64 Funcionamiento y mantenimiento El mantenimiento de equipos de descalcificación de agua depende del tipo de descalcificador que se use. Generalmente conviene supervisar y gestionar el proceso de regeneración. Se hace necesario realizar un correcto retrolavado del lecho de resina para asegurar la regeneración de la unidad. Sin embargo, esta regeneración produce aguas residuales.

Ventajas y desventajas

Ventajas •

Es una de las tecnologías más adecuadas para eliminar los iones inorgánicos disueltos.

•

La resina se puede regenerar.

•

Implica una inversión de capital inicial relativamente baja.

Desventajas •

No elimina eficazmente las bacterias.

•

Conlleva elevados costes de funcionamiento a largo plazo.

•

El proceso de regeneración de los lechos de intercambio iónico vierte agua salada al medioambiente.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

65

2.5.4 PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA Los procesos de oxidación avanzada (POA) se utilizan para oxidar componentes orgánicos complejos que se encuentran en las aguas residuales y que son difíciles de degradar biológicamente en productos finales más simples.

Estos procesos suelen generar y usar el radical libre hidroxilo (HO*) como oxidante fuerte para destruir los compuestos que no pueden ser oxidados por oxidantes convencionales tales como el oxígeno, el ozono y el cloro. El radical hidroxilo es uno de los oxidantes más activos que se conocen.

Estos procesos difieren del resto de procesos de tratamiento descritos ya que los compuestos de las aguas residuales se degradan en lugar de concentrarse o transferirse a una fase diferente. Al no generarse materiales de desecho secundarios, no se hace necesario eliminar o regenerar materiales.

La siguiente tabla muestra un resumen de las diversas tecnologías empleadas, teniendo en cuenta si se utiliza o no el ozono en la reacción. De las tecnologías reseñadas, tan solo cuatro se utilizan actualmente a escala comercial: ozono/ultravioleta, ozono/peróxido de hidrógeno, ozono/ultravioleta/peróxido de hidrógeno y peróxido de hidrógeno/ultravioleta.

Ejemplos de tecnologías empleadas para producir el reactivo radical libre hidroxilo

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(Eddy, 1999)

66 Procesos que usan el ozono

Procesos que no usan el ozono

Ozono con pH elevado (de 8 a >10)

H2O2 + UV

Ozono + UV254 (también aplicable en estado

H2O2 + UV + sales ferrosas (reacción de

gaseoso)

Fenton)

Ozono + H2O2

Irradiación por haz de electrones

Ozono + UV254 + H2O2

Cavitación electrohidráulica

Ozono + TiO2

Ultrasónicos

Ozono + TiO2 + H2O2

Plasmas no térmicos

Ozono + irradiación por haz de electrones

Efectos de corona pulsada

Ozono + ultrasónicos

Fotocatálisis (UV + TiO2) Radiólisis gamma Oxidación catalítica Oxidación en agua supercrítica

Según numerosos estudios, los POA combinados son más eficaces que cualquier agente individual (ozono, radiación ultravioleta o peróxido de hidrógeno). Los POA se aplican generalmente a las aguas residuales con baja demanda química de oxígeno (DQO) debido al coste del ozono o H2O2 que se requiere para generar los radicales hidroxilo. El material que antes era resistente a la degradación puede ser transformado en compuestos que requerirán más tratamiento biológico.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

Resumen

67

(www.sswm.info) Función:

Producir especies reactivas de oxígeno capaces de destruir compuestos tóxicos y la contaminación biológica en el agua.

Capacidad/Suficiencia:

Se requieren equipos de alta tecnología.

Rendimiento:

Gran eficacia (excepto algunos productos químicos).

Costes:

Elevados costes operacionales.

Compatibilidades de autogestión:

Se necesian ingenieros para su diseño.

Funcionamiento y

Se requiere un suministro continuo de productos químicos (ozono, H2O2,

mantenimiento:

etc.).

Fiabilidad:

Fiable, si se siguen las pautas de funcionamiento en función del contenido de las aguas residuales.

Punto fuerte:

Destruye casi todos los elementos orgánicos sin contaminar otras fases.

Punto débil:

Costes operacionales.

Ventajas y desventajas

Ventajas •

Destruye compuestos orgánicos tóxicos sin contaminar otras fases.

•

Muy eficaz a la hora de tratar casi todos los contaminantes orgánicos y eliminar algunos metales tóxicos.

•

Sirve también para desinfectar el agua.

•

Su instalación no es cara.

•

Adaptable a pequeña escala en los países en desarrollo.

Desventajas •

Costes operacionales relativamente elevados debido a los productos químicos y el aporte energético.

•

Formación de intermedios de oxidación potencialmente tóxicos.

•

Se necesitan ingenieros para su diseño y, a veces, para su funcionamiento.

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68

•

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

Tecnologías emergentes que precisan de más investigación.

Condiciones poco convencionales Las altas concentraciones de carbonato y bicarbonato en algunas aguas residuales pueden reaccionar con los HO* y reducir la eficiencia de los procesos de tratamiento de oxidación avanzada. Otros factores pueden afectar también al proceso de tratamiento: material en suspensión, pH, tipo y naturaleza del carbono orgánico total residual, y otros elementos de las aguas residuales. Como la composición química de la matriz del agua residual es diferente en cada caso, se hace necesario recurrir a la prueba piloto para poner a prueba la viabilidad técnica, obtener datos de diseño e información útiles y conseguir experiencia operativa con un POA específico.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

69

2.5.5 PRECIPITACIÓN QUÍMICA Las aguas residuales municipales suelen contener entre 50 y 100 mg/L de sólidos en suspensión difíciles de sedimentar. Estas partículas tan pequeñas tienen densidades próximas a la del medio de suspensión (agua). Estos sólidos suelen ser bacterias, virus, sustancias orgánicas coloidales y sólidos minerales finos. La precipitación de agentes químicos contribuye a que estos sólidos difíciles de sedimentar floculen (crecimiento de las partículas) y se conviertan en sedimentables.

La precipitación química conlleva la adición de productos químicos para alterar el estado físico de los sólidos disueltos y en suspensión, lo que facilita su eliminación por sedimentación.

Desde 1970 aproximadamente, la necesidad de contar con una eliminación más completa de los compuestos orgánicos y nutrientes (nitrógeno y fósforo) contenidos en las aguas residuales ha provocado un gran interés por la precipitación química. En la actualidad, se utiliza la precipitación química para el tratamiento avanzado de las aguas residuales en los siguientes casos:

(1) Para eliminar el fósforo.

(2) Para eliminar metales pesados y sustancias inorgánicas disueltas.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

70 2.5.5.1 Eliminación del fósforo La eliminación de fósforo de las aguas residuales implica la incorporación de fosfato en el TSS y la posterior eliminación de dichos sólidos. El fósforo se puede incorporar en cualquiera de los sólidos biológicos (por ejemplo, microorganismos) o precipitados químicos. Los fundamentos de la eliminación biológica del fósforo se recogen en el capítulo 2.4 ‘Tratamiento secundario’.

En esta sección se aborda la eliminación del fósforo en precipitados químicos.

La precipitación química del fósforo es provocada mediante la adición de las sales de iones metálicos multivalentes que forman precipitados de fosfatos poco solubles. Los iones de metales multivalentes más utilizados son el calcio [Ca(II)], el aluminio [Al(III)] y el hierro [Fe(III)]. Los polímeros se han utilizado eficazmente en combinación con el alumbre y la cal como auxiliares de los floculantes. Debido a que la precipitación química del fosfato con calcio es muy diferente a la del aluminio y el hierro, ambos tipos de precipitación se han considerado pero por separado.

Precipitación con calcio El calcio se suele añadir en forma de cal [Ca(OH)2]. La cantidad de cal requerida para precipitar el fósforo en las aguas residuales es de unas 1,4 a 1,5 veces la alcalinidad total, expresada como CaCO3. Para precipitar el fosfato se necesita un valor de pH elevado, de ahí que la coprecipitación no suela ser factible.

Precipitación con aluminio y hierro En el caso del alumbre y del hierro, 1 mol precipitará 1 mol de fosfato. Sin embargo, estas reacciones son aparentemente simples y deben considerarse a la luz de las muchas reacciones de competición y constantes de equilibrio asociadas, de los efectos de alcalinidad, pH, oligoelementos y ligandos que se encuentran en las aguas residuales. Al existir muchas reacciones de competencia, las dosis deben establecerse según las pruebas de laboratorio y, en ocasiones, según las pruebas a gran escala, sobre todo si se utilizan polímeros.

La precipitación del fósforo de las aguas residuales se puede producir de diferente forma en un diagrama de flujo de procesos.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

71 Puntos alternativos de adición de productos químicos para la eliminación del fósforo: (a) antes de la sedimentación primaria; (b) antes o después del tratamiento biológico; (c) después del tratamiento secundario y (d-f) en diferentes puntos del proceso (conocido como ‘tratamiento separado’) Adición química (a-b) Primario > Fósforo insoluble

·

Proceso

biológico · Secundario · Para eliminar o reutilizar · Fósforo insoluble · o

(c-d) Fósforo insoluble · Para su posterior procesamiento

(e) Filtro · Fósforo insoluble

(f)

Filtración

en dos fases ·

Fósforo

insoluble

Tratamiento primario

Tratamiento secundario

Tratamiento terciario

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

(Eddy, 1999)

72

Los puntos generales en los que se puede eliminar el fósforo se pueden clasificar como: (1) Precipitación previa.

(2) Coprecipitación.

(3) Precipitación posterior.

Precipitación previa Ocurre cuando los productos químicos se añaden a las aguas residuales no tratadas para la precipitación del fósforo en instalaciones de sedimentación primaria. El fosfato precipitado se elimina con el fango primario.

Coprecipitación Ocurre cuando los productos químicos se añaden para formar precipitados que se eliminan junto con el fango biológico residual. Los productos químicos pueden ser añadidos (1) al efluente de las instalaciones de sedimentación primaria, (2) al caldo mixto (en el proceso de fangos activos) o (3) al efluente de un proceso de tratamiento biológico antes de la sedimentación secundaria.

Precipitación posterior Ocurre cuando los productos químicos se añaden al efluente de las instalaciones de sedimentación secundaria y se procede a la eliminación de los precipitados químicos. En este proceso, los precipitados químicos se suelen eliminar en las instalaciones de sedimentación separadas o en filtros de efluentes.

Eliminación del fósforo mediante el uso de sales metálicas y polímeros En ciertos casos como la filtración biológica y los procesos de fangos activos por aireación extendida, los sólidos no pueden flocular y sedimentarse como es debido en el clarificador secundario. Este problema puede llegar a ser grave en las plantas que están sobrecargadas. La adición de sales de aluminio o de hierro provocará la precipitación de hidróxidos metálicos o fosfatos, o incluso de ambos. Las sales de aluminio y de hierro, junto con ciertos polímeros orgánicos, pueden usarse también para coagular partículas coloidales y mejorar la absorción en los filtros.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

73 Los coloides coagulados y los precipitados resultantes se depositan fácilmente en el clarificador secundario, lo que reduce el TSS en el efluente y contribuye a la eliminación del fósforo. Las dosis de sales de aluminio y de hierro suelen estar en un rango de 1 a 3 iones de metal/fósforo de relación molar si el fósforo residual en el efluente secundario es mayor a 0,5 mg/L. Para alcanzar niveles de fósforo inferiores a 0,5 mg/L, serán necesarias dosis mucho más altas de sales metálicas, así como una filtración.

Se pueden añadir polímeros (1) a la zona de mezcla de un clarificador mixto o recirculado internamente, (2) antes de usar un mezclador estático o dinámico o (3) a un canal de aireado.

Aunque se han usado tiempos de mezcla de 10 a 30 segundos para los polímeros, se está a favor de fijar tiempos de mezcla más cortos (menos de 10 s). Tal y como se indicó anteriormente, los polímeros no deben someterse a un mezclado insuficiente o excesivo, ya que la eficiencia del proceso disminuirá y eso se traducirá en peores características de sedimentación y espesantes.

Eliminación del fósforo mediante el uso de cal El uso de cal para eliminar el fósforo está disminuyendo debido (1) al aumento sustancial de la masa del fango que hay que manejar en comparación con las sales metálicas y (2) a los problemas operativos y de mantenimiento asociados a la manipulación, almacenamiento y distribución de la cal. Cuando se usa la cal, el grado de eliminación requerido y la alcalinidad de las aguas son las principales variables que controlan la dosis. La dosis operativa suele determinarse con pruebas in situ. Generalmente, la cal se ha utilizado como precipitante en los tanques de sedimentación primaria o tras la clarificación en el tratamiento secundario.

La siguiente tabla muestra de forma resumida las ventajas y desventajas de la eliminación del fósforo mediante la adición de productos químicos en varios puntos del sistema de tratamiento.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

74 Ventajas y desventajas de la adición de productos químicos en varios puntos de una planta de tratamiento para eliminar el fósforo

(Eddy, 1999)

Nivel del tratamiento

Ventajas

Desventajas

Primario

Aplicable a la mayoría de las plantas,

Uso del metal menos eficiente, se puede

mayor DBO y eliminación de sólidos requerir polímeros para la floculación y el en suspensión, menor grado de fuga

fango es más difícil de desecar que el

de metales y recuperación de cal

fango primario.

demostrada.

Secundario

Menor

coste,

dosis

menores

de

Un exceso de metales puede provocar una

productos químicos en comparación baja toxicidad de pH, se necesita controlar con el tratamiento primario, mejor

el pH de las aguas residuales con baja

estabilidad del fango activo y no se

alcalinidad, no se puede usar la cal si el pH

requieren polímeros.

es excesivo, los sólidos inertes se añaden al caldo mixto del fango activo y se reduce el porcentaje de sólidos volátiles.

Terciario (precipitación)

Efluente con menos fósforo, mejor uso

Mayor coste de capital y mayor fuga de

de los metales, recuperación de la cal

metales.

demostrada.

Terciario (filtración

El bajo coste se puede combinar con La filtración simple puede reducir la vida

simple o en dos fases)

la eliminación de sólidos residuales en

del filtro y la filtración en dos fases implica

suspensión.

gastos adicionales.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

75 2.5.5.2 Metales pesados y eliminación de sustancias inorgánicas disueltas La precipitación química es la tecnología que más se utiliza para eliminar la mayoría de los metales.

Entre los precipitantes más comunes se incluyen el hidróxido (OH) y el sulfuro (S2-). El carbonato (CO32-) también se ha utilizado en casos especiales. El metal se puede ser retirar por separado o coprecipitado con el fósforo.

Metales de interés: arsénico (As), bario (Ba), cadmio (Cd), cobre (Cu), mercurio (Hg), níquel (Ni), selenio (Se) y zinc (Zn). La mayoría de estos metales se pueden precipitar como hidróxidos o sulfuros. En las instalaciones de tratamiento de aguas residuales, los metales se suelen precipitar como hidróxidos metálicos mediante la adición de cal o sosa cáustica a un pH de solubilidad mínima.

Niveles prácticos de concentración en el efluente que se pueden alcanzar en la eliminación de metales pesados por precipitación química

(Eddy, 1999)

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

76 Metal

Concentración alcanzable

Tipo de precipitación y tecnología

en el efluente (mg/L) Arsénico

0,05

Precipitación de sulfuro con filtración

0,005

Coprecipitación de hidróxido férrico

Bario

0,5

Precipitación de sulfato

Cadmio

0,05

Precipitación de hidróxido (pH 10-11)

0,05

Coprecipitación con hidróxido férrico

0,008

Precipitación de sulfuro

0,02-0,07

Precipitación de hidróxido

0,01-0,02

Precipitación de sulfuro

0,01-0,02

Precipitación de sulfuro

0,001-0,01

Coprecipitación de alumbre

0,0005-0,005

Coprecipitación de hidróxido férrico

0,001-0,005

Intercambio iónico

Níquel

0,12

Precipitación de hidróxido (pH 10)

Selenio

0,05

Precipitación de sulfuro

Zinc

0,1

Precipitación de hidróxido (pH 11)

Cobre Mercurio

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

77

TAREAS SECCIÓN DE TAREAS N.º 4 CUESTIONARIO 1. El tratamiento terciario se basa generalmente en la idea de eliminar la materia orgánica y el total de sólidos suspendidos más allá de lo que el tratamiento secundario convencional puede conseguir. ¿Verdadero o falso?

2. Indique al menos 3 procesos esenciales del tratamiento terciario.

3. Clasifique los métodos de tratamiento terciario en orden ascendente según su eficacia a la hora de eliminar elementos inorgánicos y orgánicos.

Nanofiltración, ultrafiltración y microfiltración, filtración superficial

4. Los procesos de microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa son fundamentalmente técnicas de filtración de membranas. ¿Verdadero o falso?

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78

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

5. ¿Cómo se denomina el proceso en el que se limpia un filtro de profundidad?

6. ¿Cuál es la principal característica del medio del filtro que afecta a la operación de filtración?

7. ¿Qué parámetro indica que la fase de filtración ha finalizado y que debe comenzar la fase de limpieza?

8. ¿Cómo se mide/expresa el ritmo de filtración?

9. El filtro de disco es un proceso de filtración en profundidad. ¿Verdadero o falso?

10. En el filtro de disco toda la superficie del filtro está sumergida. ¿Verdadero o falso?

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79

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

11. El ritmo de carga hidráulico de un filtro de disco es generalmente mayor que el de un filtro de disco de tela. ¿Verdadero o falso?

12. ¿Qué se entiende por ‘flujo de la membrana’?

13. Los procesos de la membrana suelen requerir grandes cantidades de energía. ¿Verdadero o falso?

14. ¿Qué provoca que el ritmo del flujo en la membrana descienda de manera gradual con el paso del tiempo?

15. El proceso de ósmosis inversa resulta más costoso en lo que respecta a la operación de construcción y mantenimiento si se compara con la microfiltración de membranas. ¿Verdadero o falso?

16. Cuando tiene lugar la nanofiltración o el proceso de ósmosis inversa, es necesario que el efluente secundario sea tratado previamente. ¿Verdadero o falso?

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

80 17. Indique las tres técnicas que se utilizan para controlar el ensuciamiento de la membrana.

18. De los dos tipos de carbón estudiados (carbón activado en polvo y granulado), ¿cuál presenta una mejor capacidad de adsorción?

19. ¿Cuál es la principal diferencia entre los procesos de oxidación avanzada y otros procesos de tratamiento avanzados como el intercambio iónico, la adsorción o la filtración?

20. La precipitación del fósforo de las aguas residuales puede darse en diferentes puntos del diagrama de flujo de procesos. ¿Verdadero o falso?

21. ¿Por qué está descendiendo el uso de la cal en la eliminación de fósforo en las últimas décadas?

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81

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

SOLUCIONARIO: 1. Verdadero.

2. Filtración, adsorción, intercambio iónico, procesos de oxidación avanzada y precipitación química.

3. (1) Filtración superficial; (2) Ultra y microfiltración; (3) Nanofiltración 4. Verdadero.

5. Proceso de retrolavado.

6. Tamaño de los granos.

7. (1) Cuando los sólidos suspendidos en el efluente comienzan a aumentar y alcanzan un nivel mayor al aceptable o (2) cuando se alcanza el tope de pérdida de carga en el lecho filtrante.

8. Se mide en L/m2_min.

9. Falso.

10. Falso.

11. Verdadero.

12. Se denomina flujo de la membrana al ritmo al que el permeado fluye a través de la membrana.

13. Verdadero.

14. Ensuciamiento de la membrana / Incrustaciones en la membrana 15. Verdadero.

16. Verdadero.

17. Son tres: (1) Tratamiento previo del agua entrante.

(2) Retrolavado de la membrana.

(3) Limpieza química de la membrana.

18. Carbón activado en polvo.

19. Los procesos de oxidación avanzada difieren de otros procesos de tratamiento ya que los componentes de las aguas residuales son degradados y no concentrados o transferidos a otra fase.

20. Verdadero.

21. Dicha situación se debe (1) al aumento sustancial de la masa del fango que hay que manejar en comparación con las sales metálicas y (2) a los problemas operativos y de mantenimiento asociados a la manipulación, almacenamiento y distribución de la cal.

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NIRAS VOLUMEN 2 [2.5]

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