MICRO Y ULTRAFILTRACION TANGENCIAL: TECNICAS PARA LA MINIMIZACIÓN DE RESIDUOS

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1 MICRO Y ULTRAFILTRACION TANGENCIAL: TECNICAS PARA LA MINIMIZACIÓN DE RESIDUOS 1. LAS TECNOLOGIAS DE MEMBRANA EN EL SECTOR DE LAS AGUAS RESIDUALES Las membranas semipermeables son conocidas de antiguo, por lo que no podemos hablar de nueva tecnología, sino más bien de nuevas aplicaciones. En el caso que nos ocupa, la micro y ultrafiltración es sin duda una de las Mejores Tecnologías Disponibles para concentrar la materia orgánica en aguas residuales o residuos. En esta ponencia, hablaremos indistintamente de Micro y Ultrafiltración, ya que la diferencia básica entre ambas es simplemente el tamaño del poro, siendo en el caso de la micro filtración de hasta unas decimas de micra, y en la ultrafiltración disponemos actualmente de membranas con un poro de 1 KD. CORRELACIÓN DE PROPIEDADES DE MEMBRANAS CON RANGOS DE SEPARACIÓN Osmosis Inversa Nanofiltración Ultrafiltración Microfiltración Membranas Asimétrica Asimétrica Asimétrica Simétrica Asimétrica Grueso 150 µm 150 µm µm µm Capa superficial 1 µm 1 µm 1 µm 1 µm Tamaño de poro µm µm µm µm HMWC* LMWC Cloruro Macromoléculas* Rechazos Materiales de membranas Módulo de membrana Sodio, glucosa Aminoácidos Proteínas CA* capa delgada Tubular, spiral wound, plate and frame HMWC, mono, di y oligo-sacáridos, aniones polivalentes CA* capa delgada Tubular, spiral wound, plate and frame Proteínas, polisacáridos, virus Cerámica, PSO* CA* PVDF, capa delgada Tubular, hollow fiber spiral-wound, plate and frame Presión bars 5.35 bars 1-10 bars 2 bars Partículas barro, bacterias Cerámica Pp*, PSO*PVDF* Tubular, hollow fiber, plate and frame Seminario formacion pag 1

2 *CA- acetato de celulosa; *PSO- fluoruto de polivinil diseño; *PP- polipropileno; *HMWC- compuestos de alto peso molecular; *LMWC- compuestos de bajo peso molecular; *Macromoléculas- 1 millón moles/g. 2. LOS MATERIALES CONSTRUCTIVOS DE LAS MEMBRANAS Existen dos grandes grupos de materiales: -Orgánicas : polipropileno, carbono,... -Inorgánicas : metálicas, cerámicas... Hablaremos básicamente de las cerámicas ya que son de las que disponemos de más experiencia. Éstas aportan ventajas en cuanto a resistencia química y operatividad (ausencia de hidrofobia o problemas de polarización) que las hacen especialmente atractivas para el trabajo con aguas residuales industriales. Al trabajar con aguas residuales y materia orgánica, nos encontraremos con situaciones en que la instalación deberá: - Ser resistente a los valores extremos de ph - Resistente a temperaturas elevadas - Resistente a los oxidantes (p.e. cloro) - Evitar el ensuciamiento La diversidad en las calidades de las aguas residuales industriales lleva consigo problemas importantes de ensuciamiento de las membranas que en ocasiones se resuelven solamente con agresivos lavados químicos que permiten la continuidad del proceso en el tiempo. Por lo tanto es fundamental que los materiales de construcción de la membrana y de la planta resistan las condiciones a las que se le somete, aunque sea temporalmente. 3. EL MODO DE FUNCIONAMIENTO 3.1. FILTRACIÓN TANGENCIAL En el modo de filtración tangencial, clásica en las operaciones de filtración con membranas, el flujo de permeado viene condicionado básicamente por la velocidad de circulación del fluido a través de los canales de filtración que son de 5 ó 6 m/s en las membranas de cerámica. Ello conlleva una relación muy alta entre el caudal recirculado y el caudal de permeado efectivo, lo cual se traduce en un consumo energético importante y una elevación de la temperatura de trabajo. No obstante tiene la ventaja de mantener en suspensión los sólidos que van quedando en el concentrado y los que se desprenden de la Seminario formacion pag 2

3 pared filtrante después de cada lavado en contracorriente. Este modo de operación es el más adecuado para el tratamiento de aguas residuales industriales PERMEADO RETROLAVADO. PRESIÓN TRANSMEMBRANA En toda instalación de Micro/ Ultrafiltración, se busca el máximo rendimiento global de producción de permeado. No obstante los parámetros de funcionamiento que pueden proporcionar un caudal máximo de permeado también pueden afectar negativamente a la continuidad del proceso; p.e. un exceso de presión transmembrana aumenta puntualmente la producción de permeado pero favorece el ensuciamiento de las membranas. Por este motivo se estudiará en cada caso la combinación de variables con un resultado más efectivo en el tiempo. En el modo de funcionamiento de recirculación, el caudal de permeado debe ser conseguido mediante la velocidad del flujo a través del canal de recirculación. La presión interior mínima será la equivalente a la pérdida de carga de la propia membrana a la cual se añadirá una presión complementaria que favorecerá también el caudal de permeado, evitándose una presión excesiva a fin de evitar la colmatación. No obstante, dicha presión y el flujo de permeado crearán un ensuciamiento superficial de la membrana que podrá ser eliminado por un retrolavado periódico, el cual disminuirá su efectividad a medida que transcurra el proceso y un mayor número de partículas obture los poros de la membrana y se requiera un lavado químico. La diferencia de presiones existente entre la zona de permeado y la zona de circulación calculadas como presiones medias, se define como presión transmembrana y en la práctica deberá disminuirse al máximo (aumentando la presión del permeado) mientras el caudal de permeado se mantenga dentro de los límites tolerables. Los sistemas de retrolavado difieren según el tamaño de la planta. Se utilizan sistemas neumáticos en plantas pequeñas y sistema de bombeo en plantas de mayores dimensiones SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN Los sistemas de alimentación generalmente se basan en bombas centrífugas que además, de proporcionar el flujo de entrada a la planta se ocupan de mantener la presión de proceso en el circuito de recirculación. En nuestro sistema una bomba efectúa el trabajo de recirculación y presurización del sistema. También puede ser utilizada como mecanismo de alimentación, insertando ésta en la aspiración de la misma. Se ha comprobado que la aplicación de una presión pulsante en el interior del circuito de recirculación, en determinadas circunstancias favorece un incremento de caudal de permeado. Seminario formacion pag 3

4 3.4. SISTEMAS DE PURGA El sistema de purga es necesario para mantener la estabilidad del sistema de filtración. La progresiva concentración de las aguas dentro del circuito de recirculación reduce la capacidad filtrante de las membranas hasta poder llegar a anularla completamente. Durante los ensayos en planta piloto deberá observarse la variación del caudal de permeado a diferentes concentraciones y ello permitirá establecer la relación entre concentración de la purga y caudal de permeado. El modo en que se efectúa la purga está en relación al volumen de concentrado que se mantiene en el circuito de recirculación. Desde pequeñas cantidades de purga en periodos breves para pequeños volúmenes de concentrado, aumentando las purgas y alargando la periodicidad cuando los volúmenes de concentrado son mayores TEMPERATURAS DE TRABAJO La temperatura que adquiere el concentrado durante la operación de filtración está en función del rendimiento de la operación, o sea de la renovación se agua que se produce en el circuito. Las membranas cerámicas requieren mayores velocidades de flujo y ello comporta una elevación de la temperatura en el circuito de recirculación, para lo cual la instalación debe estar preparada. Por otra parte la producción de permeado aumenta a medida que aumenta la temperatura y se convierte en un factor de interés para la filtración LAVADO QUÍMICO Después de un número de horas de funcionamiento de la filtración, variable según las condiciones de trabajo, las membranas llegan a un grado de colmatación elevado y el caudal de permeado disminuye a valores inferiores a la producción mínima aceptable. El retrolavado ya no es suficiente para mantener el sistema en valores de caudal medio. Cuando esto ocurre, la filtración deberá ser detenida y se procederá a efectuar un lavado intenso de las membranas, que consiste en vaciar el circuito y cargarlo nuevamente con solución de reactivo en recirculación durante un tiempo que suele oscilar en una hora. El tipo de reactivo a utilizar varía en función de las aguas que se vienen filtrando, no obstante podemos indicar que los reactivos más comúnmente utilizados son de carácter: Seminario formacion pag 4

5 - Ácido fuerte o ácido débil - Alcalino fuerte - Oxidante fuerte - Desengrasante Existen productos comercializados cuya mezcla de componentes está estudiada para conseguir la mayor efectividad según el tipo de ensuciamiento que se presenta en la membrana. No obstante el tratamiento de aguas residuales industriales lleva consigo una variabilidad tan grande en su composición que a menudo ello comporta la realización de un estudio de lavado químico a partir de la mezcla de diferentes reactivos con el fin de conseguir la mayor eficacia. 4. APLICACIONES PRÁCTICAS 4.1. DETERGENCIA INDUSTRIAL Ya hemos mencionado que la aplicación de las tecnologías de micro y ultrafiltración adquieren un especial relieve en los casos que se desea llevar a cabo una depuración suficiente para conseguir la reutilización de las aguas dentro del proceso de fabricación eliminando los sólidos y macromoléculas indeseables y recuperando reactivos en disolución compatible con su destinación final. Demos un vistazo a un ejemplo práctico. Una planta de fabricación de productos de limpieza industrial y productos intermedios dentro del mismo en el área doméstica, y también una gama de productos complementarios entre los que destacan algunos desengrasantes. Esta fabricación se caracteriza por tener una gama muy extensa de materias primas que generan muchas posibles combinaciones para dar finalmente una amplia gama de productos diferentes. El equipo empleado en la fabricación es simple: una serie de reactores de mezcla preparados para llevar a cabo las múltiples combinaciones de las materias y obtener así el producto final. Cada fabricación concluye con el vaciado del reactor y su posterior limpieza con el fin de poder iniciar la fabricación de otro producto de características distintas al anterior. El lavado se efectúa con agua de red, la cual incorpora las sustancias correspondientes a la fabricación anterior y se conduce a un tanque donde aguardará su posterior proceso de depuración. Observemos entonces, genéricamente, los productos presentes en la línea de fabricación para conocer aproximadamente las sustancias con las que nos enfrentamos durante la depuración: - Fabricación de jabones Ácidos grasos neutralizados con sosa o potasa. Seminario formacion pag 5

6 - Otros productos utilizados: Tensioactivos aniónicos Tensioactivos no iónicos (Condensados de alcoholes grasos en óxido de etileno) Tensioactivos anfóteros (según ph) Tensioactivos catiónicos (bactericidas y fungicidas) Todos ellos solubles pero presentando algunas incompatibilidades que provocan precipitados en caso de ser mezclados. - Sales: Pirofosfatos, metasilicatos, carbonatos,... - Acomplejantes: Tipo EDTA En primer lugar, el lavado con agua de red de los reactores de mezcla que han contenido jabón provoca la precipitación del jabón cálcico y en segundo lugar la mezcla indiscriminada de sustancias disueltas en el tanque de almacenamiento y homogeneización de aguas provoca reacciones de precipitación. La empresa disponía de una planta de depuración físico-química clásica basada en la homogeneización, coagulación, neutralización, floculación y decantación de las aguas residuales. Su funcionamiento era muy variable en función de los productos que había fabricado y la homogeneización no era suficiente como para estabilizar el sistema de depuración. El problema llegaba a su extremo cuando se incorporaban aguas residuales con algún contenido de sustancias acomplejantes que con sus efectos dispersantes evitaban la coagulación y posterior floculación. El sistema de depuración era muy inestable y poco fiable. La Empresa se plantea la posibilidad de reutilización de las aguas y acaba implantando un sistema de ultrafiltración que trata las aguas acumuladas en el tanque de homogeneización de las que separa las sustancias sólidas que se mantienen en suspensión. Como resultado obtiene: - 97 % de aguas clarificadas que contienen algunos tensioactivos aniónicos y no iónicos Seminario formacion pag 6

7 - 3 % de aguas concentradas que se eliminan a través de un tratador de residuos Las aguas clarificadas son utilizadas para nuevos lavados y para algunas fabricaciones compatibles con las sustancias contenidas, generando el suficiente drenaje para el agua incorporada durante los aclarados que siguen a los lavados. El circuito se cierra y no se producen más vertidos que la eliminación de los concentrados a través del tratador de residuos LAVADO DE BIDONES Este ejemplo corresponde a la primera instalación realizada por G.A.M.A., hace seis años, estando actualmente en perfecto funcionamiento. La empresa ubicada en Catalunya, es tratador de residuos, ya que centra su actividad en el lavado y recuperación de bidones plásticos. Al ser una empresa de este tipo no puede disponer de permiso de vertido de aguas residuales de proceso, por lo que estas son recicladas mediante la utilización de una instalación de microfiltración. El caudal diario a tratar es de 20 m 3, de aguas fuertemente alcalinas, ya que los lavados se efectúan con sosa cáustica y con alto contenido de materia orgánica, ya que la mayoría de los envases tratados contienen productos tales como: -Aminas -Resinas -Polímeros -Productos para la industria del curtido -Productos para la industria textil -Jabones, etc. Las D.Q.O. de entrada están en valores entre mg/l. Seminario formacion pag 7

8 Con una instalación de microfiltración de un tamaño de poro de 0,14 µ,se consigue un permeado transparente con un valor de D.Q.O. de mg/l.. El concentrado producido es del orden del 2,5% INDUSTRIA ALIMENTARIA El siguiente ejemplo hace referencia a otra instalación realizada por G.A.M.A, funcionando correctamente desde hace un año. Ubicada también en Catalunya, se dedica al tratamiento de embutidos y carnes, con lo que las aguas residuales tienen un elevado contenido en materia orgánica (DBO5 entre 800 y 2500), materias en suspensión (entre 500 y 2500 mg/l), aceites y grasas y una DQO de entrada con valores entre 3000 y 4000 mg/l. Teniendo en cuenta estos parámetros, se lleva a cabo la instalación de una planta de Ultrafiltración Tangencial Automática, para tratar un caudal diario de 6 m 3. Con 19 membranas de cerámica y un tamaño de poro de 150 kd. Las aguas a tratar se bombean a un caudal de unos 95 m 3 /h a través del módulo de ultrafiltración donde entran en un circuito de recirculación. Las membranas filtran el agua dando un caudal de agua depurada, llamada permeado y un efluente de aguas concentradas debido a la concentración que van adquiriendo las aguas en el circuito de recirculación. Para retardar la colmatación de la membrana la planta posee un sistema de lavado en contracorriente automático. Cuando las membranas estén colmatadas se procederá a un lavado químico manual. La combinación adecuada de las distintas etapas constituye un conjunto homogéneo que permite la obtención del caudal y la calidad deseada. El permeado que se obtiene es claro con valores de DQO alrededor de 600 y 700 mg/l, y el concentrado producido es del orden del 3 %. En la siguiente tabla se puede observar como tras la Ultrafiltración se obtienen resultados inmejorables: AGUA SIN TRATAR AGUA TRATADA DQO (mg/l) DETERGENTES (mg/l) ACEITES I GRASAS (mg/l) Seminario formacion pag 8

9 Las aguas clarificadas son reutilizadas para nuevas limpiezas, y el único vertido obtenido es el concentrado que se habrá de eliminar vía un tratador de residuos. La instalación de una planta de este tipo garantiza unos rendimientos más eficaces y unos menores costes de mantenimiento, así como la ventaja de no utilizar reactivos y poder reutilizar las aguas estériles en el proceso. El sistema es totalmente automático y sólo el sistema de lavado químico se lleva a cabo manualmente, debido a la necesidad de precaución al manipular ácidos y bases. Seminario formacion pag 9